專利名稱：壓阻式微波功率傳感器及其微波功率傳感方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是利用終端電阻吸收微波功率發(fā)熱產(chǎn)生薄膜應(yīng)力，以壓敏電阻的方式測(cè)得輸入微波功率的結(jié)構(gòu)，屬于微電子器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在微波技術(shù)研究中，微波功率是表征微波信號(hào)特征的一個(gè)重要參數(shù)。在微波無(wú)線應(yīng)用和測(cè)量技術(shù)中，微波功率的探測(cè)是一個(gè)非常重要的部分。傳統(tǒng)的功率計(jì)采用波導(dǎo)形式的熱點(diǎn)功率傳感器，常用鉍-銻作熱偶，采用同軸電纜作為傳輸線，它的主要缺點(diǎn)是響應(yīng)慢、燒毀水平低、測(cè)量高功率時(shí)要用到衰減器，并且不能集成到電路中。近年來(lái)，國(guó)外提出了基于MEMS技術(shù)的終端式微波功率傳感器，它分為直接式和間接式兩種類型，原理是利用終端電阻吸收微波功率發(fā)熱，并通過(guò)熱偶或熱堆探測(cè)終端電阻附近的溫度差得到微波功率的大小，這種類型的微波功率傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、性能較為優(yōu)良、與Si工藝或GaAs工藝相兼容等優(yōu)點(diǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)由于基于MEMS技術(shù)的微波功率傳感器結(jié)構(gòu)的特殊性，對(duì)該類器件的研究開(kāi)發(fā)僅局限于科研領(lǐng)域?；贛EMS結(jié)構(gòu)的微波功率傳感器應(yīng)用于集成電路的大規(guī)模生產(chǎn)存在著與主流工藝不兼容、可重復(fù)性可靠性差、生產(chǎn)成本高等一系列障礙。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種壓阻式微波功率傳感器及其微波功率傳感方法，該傳感器是一種利用終端電阻發(fā)熱在雙層膜上產(chǎn)生應(yīng)力實(shí)現(xiàn)微波功率測(cè)量的結(jié)構(gòu)。應(yīng)用該結(jié)構(gòu)可以提高功率傳感器的靈敏度和減小輸出電壓的非線性，并實(shí)現(xiàn)了在材料、工藝、可靠性和可重復(fù)性等諸多方面的問(wèn)題。
技術(shù)方案本發(fā)明的壓阻式微波功率傳感器以Si襯底為襯底，Si3N4/SiO2層設(shè)在Si襯底的底部，在Si襯底上設(shè)有SiO2絕緣層，SiO2絕緣層與腐蝕Si襯底上的硅膜構(gòu)成雙層膜結(jié)構(gòu)，在雙層膜結(jié)構(gòu)上設(shè)有共面波導(dǎo)，在共面波導(dǎo)的終端設(shè)有匹配電阻，在雙層膜結(jié)構(gòu)的邊緣設(shè)有四個(gè)沿<110>方向的壓敏電阻，壓敏電阻通過(guò)接觸金屬由金屬導(dǎo)線構(gòu)成惠斯登電橋，惠斯登電橋的四個(gè)引線端分別與壓焊塊相接。終端匹配電阻放置在雙層膜的中心位置以產(chǎn)生最大的應(yīng)力變化。壓敏電阻沿<110>方向放置，并且位于雙層膜邊緣的中心處，從而使得電阻阻值的變化量達(dá)到最大。
壓阻式微波功率傳感器的微波功率傳感方法是通過(guò)將終端匹配電阻制作在具有不同熱膨脹系數(shù)的雙層膜結(jié)構(gòu)上，利用終端匹配電阻吸收微波功率發(fā)熱導(dǎo)致雙層膜上下層之間產(chǎn)生不同的熱膨脹，由放置在雙層膜的邊緣的壓敏電阻測(cè)量膜的應(yīng)力變化，最終得到輸入微波功率的大小。
本發(fā)明的壓阻式微波功率傳感器采用Si襯底，并通過(guò)襯底背面腐蝕工藝得到一定厚度的硅膜，在Si襯底上設(shè)有SiO2絕緣層，由硅膜和SiO2絕緣層構(gòu)成雙層膜結(jié)構(gòu)，在雙層膜結(jié)構(gòu)上設(shè)有共面波導(dǎo)，在共面波導(dǎo)的終端為匹配電阻，在雙層膜結(jié)構(gòu)的邊緣設(shè)有四個(gè)沿<110>方向的壓敏電阻，壓敏電阻由金屬導(dǎo)線連接構(gòu)成惠斯登電橋，惠斯登電橋的四個(gè)引線端與壓焊塊相接。該傳感器通過(guò)將終端匹配電阻制作在具有不同熱膨脹系數(shù)的雙層膜結(jié)構(gòu)上，利用終端匹配電阻吸收微波功率發(fā)熱導(dǎo)致雙層膜上下層之間產(chǎn)生不同的熱膨脹，由放置在膜的邊緣的壓敏電阻測(cè)量膜的應(yīng)力變化，最終得到輸入微波功率的大小。應(yīng)用本發(fā)明中的壓阻式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量結(jié)構(gòu)在集成電路中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
有益效果本發(fā)明中的壓阻式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)的熱偶結(jié)構(gòu)的熱電功率傳感器和工藝的思維限制，尋找到了基于主流Si工藝的實(shí)現(xiàn)方法，可重復(fù)性和可靠性都有較大的提高。同時(shí)，壓阻式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)具有線性度好、頻率范圍寬、靈敏度高、可測(cè)量較小功率等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明中的壓阻式微波功率傳感器也是基于MEMS技術(shù)，但不同于上述的終端式微波功率傳感器，該結(jié)構(gòu)將終端電阻制作在具有不同熱膨脹系數(shù)的雙層膜結(jié)構(gòu)上，由于終端電阻吸收微波功率發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致溫度變化，從而使得雙層膜上下層之間產(chǎn)生不同的熱膨脹，在膜的邊緣放置由壓敏電阻構(gòu)成的惠斯登電橋來(lái)測(cè)量由于熱膨脹引起的應(yīng)力，最終得到輸入微波功率的大小。相比而言，壓阻式微波功率傳感器具有以下主要特點(diǎn)一、壓阻式結(jié)構(gòu)較終端式結(jié)構(gòu)的制作工藝簡(jiǎn)單且測(cè)量技術(shù)成熟；二、壓阻式結(jié)構(gòu)靈敏度高，可以得到理想的大輸出且非線性較小。三、壓阻式結(jié)構(gòu)的制作無(wú)需特殊的材料并且與Si工藝相兼容。
基于以上壓阻式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，很明顯的可以看出本發(fā)明與終端式微波功率傳感器相比提高了性能，工藝更加簡(jiǎn)單成熟，并兼顧有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、與Si工藝兼容、高可靠性、高重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，很好的滿足了集成電路對(duì)器件的基本要求。因此，壓阻式微波功率傳感器的結(jié)構(gòu)具有較好的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)潛力。壓阻式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)為真正實(shí)現(xiàn)基于MEMS技術(shù)的功率測(cè)量結(jié)構(gòu)在集成電路中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了支持和保證。


圖1是壓阻式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是壓阻式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)剖面圖。
以上圖中有Si襯底1，硅膜11，SiO2絕緣層2，共面波導(dǎo)3，終端電阻4，金屬導(dǎo)線5，壓敏電阻6，壓焊塊7，雙層膜8，Si3N4/SiO2層9，接觸金屬10。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的壓阻式微波功率傳感器采用Si襯底，并通過(guò)襯底背面腐蝕工藝得到一定厚度的硅膜，在Si襯底上設(shè)有SiO2絕緣層，由硅膜和SiO2絕緣層構(gòu)成雙層膜結(jié)構(gòu)，在雙層膜結(jié)構(gòu)上設(shè)有共面波導(dǎo)，在共面波導(dǎo)的終端為匹配電阻，在雙層膜結(jié)構(gòu)的邊緣設(shè)有四個(gè)沿<110>方向的壓敏電阻，壓敏電阻由金屬導(dǎo)線連接構(gòu)成惠斯登電橋，惠斯登電橋的四個(gè)引線端與壓焊塊相接。該傳感器通過(guò)將終端匹配電阻制作在具有不同熱膨脹系數(shù)的雙層膜結(jié)構(gòu)上，利用終端匹配電阻吸收微波功率發(fā)熱導(dǎo)致雙層膜上下層之間產(chǎn)生不同的熱膨脹，由放置在膜的邊緣的壓敏電阻測(cè)量膜的應(yīng)力變化，最終得到輸入微波功率的大小。
壓阻式微波功率傳感器的制作工藝與標(biāo)準(zhǔn)Si工藝兼容。
壓阻式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)不同于以往的基于MEMS技術(shù)的終端式微波功率傳感器，該結(jié)構(gòu)通過(guò)將終端電阻制作在具有不同熱膨脹系數(shù)的雙層膜結(jié)構(gòu)上，利用終端電阻吸收微波功率發(fā)熱導(dǎo)致雙層膜上下層之間產(chǎn)生不同的熱膨脹，由放置在膜的邊緣的壓敏電阻測(cè)量膜的應(yīng)力變化，最終得到輸入微波功率的大小。壓阻式微波功率傳感器具有以下主要特征一、壓阻式結(jié)構(gòu)較終端式結(jié)構(gòu)的制作工藝簡(jiǎn)單且測(cè)量技術(shù)成熟；二、壓阻式結(jié)構(gòu)靈敏度高，可以得到理想的大輸出且非線性較小。三、壓阻式結(jié)構(gòu)的制作工藝與Si工藝相兼容。除此以外，壓阻式微波功率傳感器為功率傳感器件尺寸的縮小和集成化提供了基礎(chǔ)和保證，同時(shí)為進(jìn)一步精確測(cè)量微波功率提供了支持?；谠摻Y(jié)構(gòu)獨(dú)創(chuàng)性的發(fā)明和該發(fā)明的眾多優(yōu)越特性。區(qū)分是否為該結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)如下(a)采用共面波導(dǎo)輸入微波功率，并在共面波導(dǎo)終端為與之匹配的終端電阻，(b)采用具有不同熱膨脹系數(shù)的雙層膜結(jié)構(gòu)，(c)利用壓敏電阻感應(yīng)膜的應(yīng)力變化。
滿足以上三個(gè)條件的結(jié)構(gòu)即應(yīng)視為該壓阻式微波功率傳感器的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的傳感器以Si襯底1為襯底，Si3N4/SiO2層9設(shè)在Si襯底1的底部，在Si襯底1上設(shè)有SiO2絕緣層2，SiO2絕緣層2與腐蝕Si襯底1形成的硅膜11構(gòu)成雙層膜8結(jié)構(gòu)，在雙層膜8結(jié)構(gòu)上設(shè)有共面波導(dǎo)3，在共面波導(dǎo)3的終端設(shè)有匹配電阻4，在雙層膜8結(jié)構(gòu)的邊緣設(shè)有四個(gè)沿<110>方向的壓敏電阻6，壓敏電阻6通過(guò)接觸金屬10由金屬導(dǎo)線5構(gòu)成惠斯登電橋，惠斯登電橋的四個(gè)引線端分別與壓焊塊7相接。終端匹配電阻4放置在雙層膜8的中心位置以產(chǎn)生最大的應(yīng)力變化。壓敏電阻6沿<110>方向放置，并且位于雙層膜8邊緣的中心處，從而使得電阻阻值的變化量達(dá)到最大。
本發(fā)明的壓阻式微波功率傳感器的微波功率傳感方法是該傳感方法通過(guò)將終端匹配電阻4制作在具有不同熱膨脹系數(shù)的雙層膜8結(jié)構(gòu)上，利用終端匹配電阻4吸收微波功率發(fā)熱導(dǎo)致雙層膜8上下層之間產(chǎn)生不同的熱膨脹，由放置在雙層膜8的邊緣的壓敏電阻6測(cè)量膜的應(yīng)力變化，最終得到輸入微波功率的大小。
整個(gè)結(jié)構(gòu)需要制作在由硅膜11和二氧化硅絕緣層2構(gòu)成的雙層膜8上，從而通過(guò)雙層膜8上下層之間不同的熱膨脹產(chǎn)生應(yīng)力變化。
本發(fā)明中的壓阻式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)制作于雙層膜結(jié)構(gòu)上，利用50Ω特性阻抗的共面波導(dǎo)輸入微波功率，在共面波導(dǎo)的終端接入一個(gè)終端匹配電阻，此電阻由兩個(gè)100Ω的電阻并聯(lián)而成，電阻放置在雙層膜的中心處，在膜的邊緣放置由四個(gè)壓敏電阻構(gòu)成的惠斯登電橋。
整個(gè)技術(shù)方案中需要注意一些問(wèn)題，其中包括終端電阻的阻值必須盡可能的精確，因此電阻尺寸的控制非常重要；壓敏電阻的摻雜濃度與壓阻靈敏度成反比，而與溫度獨(dú)立性成正比，因此要在靈敏度和溫度獨(dú)立性之間做一個(gè)折中；P型電阻的壓阻系數(shù)在<110>方向最大，而對(duì)于(100)硅襯底，其背面各向異性腐蝕得到的硅膜邊沿即為<110>晶向，即要取壓敏電阻的邊沿與硅膜邊沿平行或垂直；用KOH溶液各向異性腐蝕硅襯底制作出硅膜，由于腐蝕過(guò)程將在由腐蝕速率決定的某個(gè)時(shí)間停止，因此必須準(zhǔn)確的知道襯底的厚度、所要硅膜的厚度以及腐蝕速率。
權(quán)利要求
1.一種壓阻式微波功率傳感器，其特征在于該傳感器以Si襯底(1)為襯底，Si3N4/SiO2層(9)設(shè)在Si襯底(1)的底部，在Si襯底(1)上設(shè)有SiO2絕緣層(2)，SiO2絕緣層(2)與腐蝕Si襯底(1)上的硅膜(11)構(gòu)成雙層膜(8)結(jié)構(gòu)，在雙層膜(8)結(jié)構(gòu)上設(shè)有共面波導(dǎo)(3)，在共面波導(dǎo)(3)的終端設(shè)有匹配電阻(4)，在雙層膜(8)結(jié)構(gòu)的邊緣設(shè)有四個(gè)沿<110>方向的壓敏電阻(6)，壓敏電阻(6)通過(guò)接觸金屬(10)由金屬導(dǎo)線(5)構(gòu)成惠斯登電橋，惠斯登電橋的四個(gè)引線端分別與壓焊塊(7)相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓阻式微波功率傳感器，其特征在于終端匹配電阻(4)放置在雙層膜(8)的中心位置以產(chǎn)生最大的應(yīng)力變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓阻式微波功率傳感器，其特征在于壓敏電阻(6)沿<110>方向放置，并且位于雙層膜(8)邊緣的中心處，從而使得電阻阻值的變化量達(dá)到最大。
4.一種如權(quán)利要求1所述的壓阻式微波功率傳感器的微波功率傳感方法，其特征在于該傳感方法通過(guò)將終端匹配電阻(4)制作在具有不同熱膨脹系數(shù)的雙層膜(8)結(jié)構(gòu)上，利用終端匹配電阻(4)吸收微波功率發(fā)熱導(dǎo)致雙層膜(8)上下層之間產(chǎn)生不同的熱膨脹，由放置在雙層膜(8)的邊緣的壓敏電阻(6)測(cè)量膜的應(yīng)力變化，最終得到輸入微波功率的大小。
全文摘要
壓阻式微波功率傳感器是利用終端電阻吸收微波功率發(fā)熱產(chǎn)生薄膜應(yīng)力，以壓敏電阻的方式測(cè)得輸入微波功率的結(jié)構(gòu)，該傳感器以Si襯底(1)為襯底，Si
文檔編號(hào)G01R31/00GK1885047SQ200610085330
公開(kāi)日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2006年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月9日
發(fā)明者黃慶安, 韓磊, 廖小平 申請(qǐng)人:東南大學(xué)