本發(fā)明提出了一種基于硅基懸臂梁T型結(jié)直接加熱式毫米波信號(hào)檢測(cè)儀器，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

長(zhǎng)為1～10毫米的電磁波稱為毫米波，處于較高的微波頻段，在通信、雷達(dá)、制導(dǎo)、遙感技術(shù)、射電天文學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和波譜學(xué)方面都有著重要研究?jī)r(jià)值。功率、頻率和相位作為微波信號(hào)的三大參數(shù)，其檢測(cè)是電磁測(cè)量的重要組成部分，在微波技術(shù)的應(yīng)用中發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用?；诓粩喟l(fā)展和成熟的MEMS技術(shù)，很多電子元件和機(jī)械元件都成功實(shí)現(xiàn)了小型化，同時(shí)性能上也不亞于傳統(tǒng)元件，對(duì)于微波信號(hào)檢測(cè)器也不例外。然而，目前現(xiàn)有的微波信號(hào)檢測(cè)器，包括功率檢測(cè)器、頻率檢測(cè)器和相位檢測(cè)器，都是相對(duì)獨(dú)立的器件，而在微波系統(tǒng)中需要同時(shí)測(cè)量功率、相位和頻率的場(chǎng)合，獨(dú)立器件所占的電路尺寸較大，同時(shí)存在著電磁兼容問(wèn)題，所以研究毫米波信號(hào)集成檢測(cè)系統(tǒng)成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。此外，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換和液晶顯示環(huán)節(jié)對(duì)測(cè)得的微波參量進(jìn)行顯示輸出，得到一個(gè)完整的微波信號(hào)檢測(cè)儀器，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明的目的是提供一種基于硅基懸臂梁T型結(jié)直接加熱式毫米波信號(hào)檢測(cè)儀器，傳感器部分實(shí)現(xiàn)毫米波信號(hào)的功率、頻率和相位的測(cè)量，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后顯示在顯示屏上，該儀器具有多功能和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于硅基懸臂梁T型結(jié)直接加熱式毫米波信號(hào)檢測(cè)儀器，該信號(hào)檢測(cè)儀器包括傳感器、單片機(jī)和液晶顯示屏三個(gè)部分；傳感器由懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)、T型結(jié)、間接加熱式微波功率傳感器和開(kāi)關(guān)構(gòu)成；其中，懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)上下、左右對(duì)稱，由CPW中央信號(hào)線、傳輸線地線、懸臂梁、懸臂梁錨區(qū)構(gòu)成，懸臂梁置于CPW中央信號(hào)線的上方，在懸臂梁的下方有一層Si₃N₄介電層覆蓋中央信號(hào)線；待測(cè)信號(hào)由懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)的第一端口輸入，第二端口接第一間接加熱式微波功率傳感器；上方兩個(gè)懸臂梁耦合的信號(hào)由第三端口和第四端口輸出，第三端口與第一開(kāi)關(guān)的第七端口相連，第四端口與第二開(kāi)關(guān)的第十端口相連，第一開(kāi)關(guān)的第八端口與第二間接加熱式微波功率傳感器相連，第九端口與第一T型結(jié)的第十三端口相連，第二開(kāi)關(guān)的第十一端口與第三間接加熱式微波功率傳感器相連，第十二端口與第一T型結(jié)的第十四端口相連，最后，第一T型結(jié)的第十五端口接第四間接加熱式微波功率傳感器；下方兩個(gè)懸臂梁耦合的信號(hào)由第五端口和第六端口輸出，第五端口與第三T型結(jié)的第十九端口相連，第六端口與第四T型結(jié)的第二十二端口相連，待測(cè)信號(hào)從第二T型結(jié)的第十六端口輸入，第二T型結(jié)的第十七端口與第三T型結(jié)的第二十端口相連，第十八端口與第四T型結(jié)的第二十三端口相連，第三T型結(jié)的第二十一端口接第五間接加熱式微波功率傳感器，第四T型結(jié)的第二十四端口接第六間接加熱式微波功率傳感器；所有微波功率傳感器的輸出端都連接到MCS51單片機(jī)。

直接加熱式微波功率傳感器由CPW中央信號(hào)線、傳輸線地線、MIM電容、終端電阻、輸出Pad構(gòu)成，用于檢測(cè)微波信號(hào)的功率大小，終端電阻設(shè)計(jì)為CPW傳輸線的匹配負(fù)載，同時(shí)作為熱電偶的半導(dǎo)體臂，MIM電容作為隔直電容，起到阻斷直流通路和微波通路的作用，在終端電阻熱端下方的Si襯底被刻蝕，用于增大傳感器的靈敏度，為了提高冷熱端的溫差，終端電阻設(shè)計(jì)為梯形。

待測(cè)毫米波信號(hào)從懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)的第一端口輸入，由第二端口末端的直接加熱式微波功率傳感器檢測(cè)毫米波功率；進(jìn)行毫米波頻率和相位檢測(cè)時(shí)，首先通過(guò)開(kāi)關(guān)將耦合信號(hào)輸入到直接加熱式微波功率傳感器測(cè)出耦合信號(hào)的功率大小，接著通過(guò)開(kāi)關(guān)將兩路所測(cè)信號(hào)頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz處相位差為90度的耦合信號(hào)輸入到T型結(jié)，同樣使用直接加熱式微波功率傳感器檢測(cè)合成信號(hào)功率大小，由耦合信號(hào)和合成信號(hào)的大小可以推算出毫米波信號(hào)的頻率；另外兩路所測(cè)信號(hào)頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz處相位差為90度的耦合信號(hào)分別和功率等分后的參考信號(hào)合成，由直接加熱式微波功率傳感器檢測(cè)出兩路合成信號(hào)功率的大小，聯(lián)立方程可以求解待測(cè)毫米波信號(hào)的相位，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)周期范圍內(nèi)相位角的測(cè)量。

數(shù)模轉(zhuǎn)換是將傳感器輸出的功率直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這個(gè)部分主要是由MCS51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。液晶顯示部分是將模數(shù)轉(zhuǎn)換部分所得到的數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行顯示輸出，得出待測(cè)信號(hào)的頻率、相位和功率的讀數(shù)。

有益效果：

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有的信號(hào)檢測(cè)儀器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明的信號(hào)檢測(cè)儀器實(shí)現(xiàn)了功率檢測(cè)、相位檢測(cè)和頻率檢測(cè)三種功能的單片集成；

2.本發(fā)明的信號(hào)檢測(cè)儀器原理和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，版圖面積較小，全部由無(wú)源器件組成因而不存在直流功耗；

3.本發(fā)明的信號(hào)檢測(cè)儀器由于采用直接加熱式微波功率傳感器進(jìn)行功率檢測(cè)，靈敏度大，工藝簡(jiǎn)單。

4.兼容COMS工藝，適合批量生產(chǎn)，成本低、可靠性高。

5.實(shí)現(xiàn)了功率、相位和頻率的數(shù)值顯示，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的基于硅基懸臂梁耦合T型結(jié)直接加熱式毫米波信號(hào)檢測(cè)儀器的總框圖；

圖2為本發(fā)明基于硅基懸臂梁耦合T型結(jié)直接加熱式毫米波信號(hào)檢測(cè)儀器中的傳感器的示意圖；

圖3為本發(fā)明懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)的A-A’向的剖面圖；

圖4為本發(fā)明T型結(jié)的俯視圖；

圖5為本發(fā)明直接加熱式微波功率傳感器的俯視圖；

圖6為本發(fā)明直接加熱式微波功率傳感器的B-B’向的剖面圖；

圖7為本發(fā)明開(kāi)關(guān)的俯視圖；

圖8為本發(fā)明開(kāi)關(guān)C-C’向的剖面圖；

圖中包括：高阻Si襯底1，SiO₂層2，CPW中央信號(hào)線3，傳輸線地線4，懸臂梁5，懸臂梁錨區(qū)6，空氣橋7，MIM電容8，Si₃N₄介電層9，終端電阻10，輸出Pad11，下拉電極12，懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)13，第一開(kāi)關(guān)14，第二開(kāi)關(guān)15，第一端口1-1，第二端口1-2，第三端口1-3，第四端口1-4，第五端口1-5，第六端口1-6，第七端口2-1，第八端口2-2，第九端口2-3，第十端口3-1，第十一端口3-2，第十二端口3-3，第十三端口4-1，第十四端口4-2，第十五端口4-3，第十六端口5-1，第十七端口5-2，第十八端口5-3，第十九端口6-1，第二十端口6-2，第二十一端口6-3，第二十二端口7-1，第二十三端口7-2，第二十四端口7-3。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1-8，本發(fā)明提出了一種基于硅基懸臂梁耦合T型結(jié)直接加熱式毫米波信號(hào)檢測(cè)儀器，主要是由傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換和液晶顯示三個(gè)大模塊組成，如圖1所示，這三個(gè)大模塊又由一些基礎(chǔ)的小模塊和電路構(gòu)成。

其中，傳感器模塊主要包括懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)13、T型結(jié)、直接加熱式微波功率傳感器和開(kāi)光。懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)13用于耦合待測(cè)信號(hào)的部分功率，用于頻率和相位檢測(cè)；T型結(jié)為三端口器件，可用于功率分配和功率合成，無(wú)需隔離電阻；直接加熱式微波功率傳感器用于檢測(cè)微波信號(hào)的功率，原理是基于焦耳效應(yīng)和塞貝克(Seebeck)效應(yīng)；開(kāi)關(guān)用于轉(zhuǎn)換耦合功率檢測(cè)和頻率檢測(cè)兩種狀態(tài)。

懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)13由CPW中央信號(hào)線3、傳輸線地線4、懸臂梁5、懸臂梁錨區(qū)6構(gòu)成。兩組懸臂梁5懸于CPW中央信號(hào)線3上方，中間隔有Si₃N₄介質(zhì)層9和空氣，等效一個(gè)雙介質(zhì)層的MIM電容，懸臂梁5末端通過(guò)懸臂梁錨區(qū)6同耦合分支的CPW中央信號(hào)線3相連，每組懸臂梁5包括兩個(gè)對(duì)稱設(shè)計(jì)的懸臂梁5，兩組懸臂梁5之間的CPW傳輸線電長(zhǎng)度在所測(cè)信號(hào)頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz處為λ/4。通過(guò)調(diào)整懸臂梁5附近的傳輸線地線4的形狀，改變CPW傳輸線的阻抗，用于補(bǔ)償懸臂梁5的引入帶來(lái)的電容變化。

T型結(jié)由CPW中央信號(hào)線3、傳輸線地線4以及空氣橋7構(gòu)成，其中空氣橋用于地線之間的互連，為了方便空氣橋的釋放，在空氣橋上制作了一組小孔陣列。

直接加熱式微波功率傳感器由CPW中央信號(hào)線3、傳輸線地線4、MIM電容8、終端電阻10、輸出Pad11構(gòu)成，用于檢測(cè)微波信號(hào)的功率大小，終端電阻10設(shè)計(jì)為CPW傳輸線的匹配負(fù)載，同時(shí)作為熱電偶的半導(dǎo)體臂，MIM電容8作為隔直電容，起到阻斷直流通路和微波通路的作用，在終端電阻10熱端下方的Si襯底被刻蝕，用于增大傳感器的靈敏度，為了提高冷熱端的溫差，終端電阻10設(shè)計(jì)為梯形。

開(kāi)關(guān)由CPW中央信號(hào)線3、傳輸線地線4、懸臂梁5、懸臂梁錨區(qū)6和下拉電極12構(gòu)成，下拉電極12上覆蓋有一層Si₃N₄介電層9，未施加直流電壓時(shí)，兩個(gè)支路處于斷開(kāi)狀態(tài)，通過(guò)在下拉電極12上施加一定的直流偏置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)支路的導(dǎo)通，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)耦合功率檢測(cè)和頻率檢測(cè)兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

毫米波功率檢測(cè)模塊是由第二端口1-2相連的第一直接加熱式微波功率傳感器來(lái)檢測(cè)原毫米波信號(hào)的功率大小的，原毫米波信號(hào)的功率大小P可以由下式表達(dá)：

P＝kV_out (1)

其中k為直接式微波功率傳感器的靈敏度，V_out為功率傳感器的輸出熱電勢(shì)。

進(jìn)行毫米波頻率檢測(cè)時(shí)，毫米波信號(hào)首先經(jīng)過(guò)第一組懸臂梁5耦合結(jié)構(gòu)耦合出小部分的信號(hào)P₁(對(duì)應(yīng)電壓為V₁)，然后經(jīng)過(guò)一段CPW傳輸線后再由另一組懸臂梁5耦合結(jié)構(gòu)耦合出部分的信號(hào)P₂(對(duì)應(yīng)電壓為V₂)，這樣兩個(gè)耦合信號(hào)之間就產(chǎn)生了一定的相位差它的長(zhǎng)度設(shè)置為以中心頻率f₀為35GHz處波長(zhǎng)的1/4，此時(shí)相位差就是90°，但是當(dāng)頻率f變化時(shí)，相位差是頻率f的函數(shù)：

其中f為毫米波信號(hào)的頻率，c為光速，ε_er為傳輸線的相對(duì)介電常數(shù)，ΔL為移相器的長(zhǎng)度。因此只要測(cè)出的值，就能得到頻率f的大小，于是將兩個(gè)耦合信號(hào)P₁、P₂經(jīng)過(guò)T型結(jié)進(jìn)行合成，再用直接式熱電式功率傳感器去檢測(cè)合成信號(hào)功率P_s的大小，合成信號(hào)的功率P_s(對(duì)應(yīng)電壓為V_s)是關(guān)于相位差的三角函數(shù)關(guān)系：

由于耦合信號(hào)P₁、P₂的大小未知，因此這里采用了兩個(gè)開(kāi)關(guān)將兩個(gè)耦合出來(lái)的小信號(hào)率先進(jìn)行功率檢測(cè)，得到其功率大小，然后再通過(guò)T型結(jié)進(jìn)行功率合成，于是由公式(2)就能計(jì)算出頻率f的大小。注意這里的相位差只是兩個(gè)耦合小信號(hào)之間的相位差，并不是原毫米波信號(hào)的相位Φ，還需要通過(guò)相位檢測(cè)模塊來(lái)精確確定原毫米波信號(hào)的相位Φ。

對(duì)于毫米波的相位檢測(cè)模塊，同樣地也是由兩個(gè)懸臂梁5耦合結(jié)構(gòu)耦合出部分小信號(hào)P₃和P₄，由于懸臂梁5結(jié)構(gòu)相同，所以它們的功率大小等于之前測(cè)得的耦合小信號(hào)P₁和P₂，它們的初始相位都為Φ，在經(jīng)過(guò)一段CPW傳輸線之后，第二個(gè)懸臂梁5耦合的信號(hào)與第一個(gè)懸臂梁5耦合的信號(hào)之間有了相位差從附圖中圖2可以看到，參考信號(hào)P_c(對(duì)應(yīng)電壓為V_c)經(jīng)過(guò)T型結(jié)分解成左右兩路一模一樣的信號(hào)，左邊一路信號(hào)與第一個(gè)懸臂梁5耦合的信號(hào)進(jìn)行功率合成，得到合成功率P_L(對(duì)應(yīng)電壓為V_L)，它是關(guān)于相位Φ的三角函數(shù)關(guān)系；而右邊一路信號(hào)與第二個(gè)懸臂梁5耦合的信號(hào)進(jìn)行功率合成，得到合成功率P_R(對(duì)應(yīng)電壓為V_R)，它是關(guān)于相位的三角函數(shù)關(guān)系：

其中P₃＝P₁、P₄＝P₂，結(jié)合這兩個(gè)關(guān)系式，不僅可以得到相位Φ的大小，還可以得到相位的超前或滯后關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了-180°～+180°的相位檢測(cè)。

由于直接式熱電式功率檢測(cè)器輸出的是模擬電壓，并不是功率大小，因此公式(2)、(3)、(4)中出現(xiàn)的功率P₁、P₂、P₃、P₄、P_L、P_R、P_C、P_S都需要經(jīng)過(guò)公式(1)將電壓V₁、V₂、V₃、V₄、V_L、V_R、V_C、V_S進(jìn)行計(jì)算才能得到。

第二個(gè)大模塊是模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，它的主要作用是將傳感器三個(gè)小模塊中輸出的功率直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這個(gè)部分主要是由STM32微處理器及由AD620芯片組成的外圍電路所構(gòu)成，如附圖10所示，則根據(jù)公式(1)、(2)、(3)、(4)，可以反推出相應(yīng)的頻率f、相位Φ和功率P的大?。?/p>

最后就是液晶顯示部分，它的主要作用就是將模數(shù)轉(zhuǎn)換部分所得到的數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行顯示輸出，得出待測(cè)信號(hào)的頻率f、相位Φ和功率P的讀數(shù)。

本發(fā)明的基于硅基懸臂梁T型結(jié)直接加熱式毫米波信號(hào)檢測(cè)儀器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的制備方法如下：

1)準(zhǔn)備4英寸高阻Si襯底1，電導(dǎo)率為4000Ωcm，厚度為400μm；

2)熱生長(zhǎng)一層SiO₂層2，厚度為1.2μm；

3)化學(xué)氣相淀積(CVD)生長(zhǎng)一層多晶硅，厚度為0.4μm；

4)涂覆一層光刻膠并光刻，除多晶硅電阻區(qū)域暴露以外，其他區(qū)域被光刻膠保護(hù)，接著注入磷(P)離子，摻雜濃度為10¹⁵cm^-2；

5)涂覆一層光刻膠，光刻多晶硅電阻圖形，再通過(guò)干法刻蝕形成終端電阻10；

6)涂覆一層光刻膠，光刻去除傳輸線、下拉電極12和輸出Pad11處的光刻膠；

7)電子束蒸發(fā)形成第一層金(Au)，厚度為0.3μm，去除光刻膠以及光刻膠上的Au，剝離形成傳輸線的第一層Au、下拉電極12和輸出Pad11；

8)LPCVD淀積一層Si₃N₄，厚度為0.1μm；

9)涂覆一層光刻膠，光刻并保留空氣橋7和MIM電容8下方的光刻膠，干法刻蝕Si₃N₄，形成Si₃N₄介電層9；

10)均勻涂覆一層聚酰亞胺并光刻圖形，厚度為2μm，保留懸臂梁5下方的聚酰亞胺作為犧牲層；

11)涂覆光刻膠，光刻去除懸臂梁5、懸臂梁錨區(qū)6、傳輸線、空氣橋7、MIM電容8以及輸出Pad11位置的光刻膠；

12)蒸發(fā)500/1500/300A°的Ti/Au/Ti的種子層，去除頂部的Ti層后再電鍍一層厚度為2μm的Au層；

13)去除光刻膠以及光刻膠上的Au，形成懸臂梁5、懸臂梁錨區(qū)6、傳輸線、空氣橋7、MIM電容8和輸出Pad11；

14)深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)襯底材料背面，制作熱電堆下方的薄膜結(jié)構(gòu)；

15)釋放聚酰亞胺犧牲層：顯影液浸泡，去除懸臂梁5下的聚酰亞胺犧牲層，去離子水稍稍浸泡，無(wú)水乙醇脫水，常溫下?lián)]發(fā)，晾干。

區(qū)分是否為該結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)如下：

本發(fā)明的基于硅基懸臂梁T型結(jié)直接加熱式毫米波信號(hào)檢測(cè)儀器，傳感器襯底為高阻Si。待測(cè)毫米波信號(hào)由第一端口1-1輸入，由第一直接加熱式微波功率傳感器進(jìn)行毫米波信號(hào)功率的檢測(cè)，位于CPW中央信號(hào)線3上方的兩組懸臂梁5耦合部分待測(cè)毫米波信號(hào)，每組懸臂梁5包括兩個(gè)對(duì)稱設(shè)計(jì)的懸臂梁5，兩個(gè)懸臂梁5耦合的功率相等，其中一個(gè)懸臂梁5的耦合信號(hào)用于耦合功率和頻率檢測(cè)，兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換通過(guò)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，另一個(gè)懸臂梁5的耦合信號(hào)用于相位檢測(cè)；首先通過(guò)開(kāi)關(guān)使得耦合信號(hào)直接輸入到直接加熱式微波功率傳感器檢測(cè)耦合功率大小，接著通過(guò)開(kāi)關(guān)使得兩路在所測(cè)信號(hào)頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz處相位差為90度的耦合信號(hào)進(jìn)行合成并由直接加熱式微波功率傳感器檢測(cè)合成功率，從而推算出待測(cè)信號(hào)的頻率；相位檢測(cè)時(shí)，將兩路在所測(cè)信號(hào)頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz處相位差為90度的耦合信號(hào)，分別同兩路等分后的參考信號(hào)合成，同樣利用直接加熱式微波功率傳感器檢測(cè)合成功率，從而獲得待測(cè)信號(hào)的相位。此外同時(shí)將模擬輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換直接輸出在液晶屏幕上，構(gòu)成了一個(gè)完整的微波信號(hào)檢測(cè)儀器。

滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的基于硅基懸臂梁T型結(jié)直接加熱式毫米波信號(hào)檢測(cè)儀器。