專利名稱：微電子機(jī)械微波頻率檢測器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的微波頻率檢測器，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在微波研究中，微波頻率是表征微波信號(hào)特征的一個(gè)重要參數(shù)，微波頻率的測量在微波無線應(yīng)用和測量技術(shù)中具有非常重要的地位。傳統(tǒng)的微波頻率檢測器是基于二極管的，它的缺點(diǎn)需要消耗直流功率、測量的信號(hào)幅度比較小。近20多年來，隨著MEMS技術(shù)的飛速發(fā)展，對很多MEMS結(jié)構(gòu)和器件如固支梁結(jié)構(gòu)、MEMS開關(guān)等都進(jìn)行了深入的研究，這些都使采用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)微波頻率檢測器成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種基于MEMS技術(shù)的微電子機(jī)械微波頻率檢測器及其制備方法，使得其結(jié)構(gòu)非常簡單，測量信號(hào)的幅度變大、不需要消耗直流功率，且便于集成。
技術(shù)方案本發(fā)明的微電子機(jī)械微波頻率檢測器以砷化鎵為襯底，在襯底上設(shè)有功率分配器、功率合成器、共面波導(dǎo)傳輸線、固支梁結(jié)構(gòu)功率分配器、功率合成器由共面波導(dǎo)構(gòu)成的端口一、端口二、端口三、不對稱共面帶線、氮化鉭電阻組成，端口一通過不對稱共面帶線分別接端口二、端口三，在與端口二、端口三相接的兩不對稱共面帶線之間連接有氮化鉭電阻；固支梁結(jié)構(gòu)以砷化鎵為襯底、在襯底上的中間設(shè)有信號(hào)輸入端口，在CPW的信號(hào)線的兩旁分別設(shè)有CPW的地線，在CPW的地線外的兩旁分別設(shè)有傳感電極，傳感電極通過傳感電極引線接電容檢測端口的一個(gè)端，CPW的地線接電容檢測端口的另一個(gè)端，在傳感電極外的兩旁分別設(shè)有橋墩，在橋墩上設(shè)有固支梁，在固支梁下方CPW的信號(hào)線、CPW的地線、傳感電極上表面設(shè)有氮化硅介質(zhì)層。
被測信號(hào)加到功率分配器的端口一，在其端口二、端口三處產(chǎn)生了兩個(gè)新的信號(hào)，即第一被測信號(hào)和第二被測信號(hào)；先將第二被測信號(hào)接到長度為L的共面波導(dǎo)傳輸線，然后將該共面波導(dǎo)傳輸線的另一端與第一被測信號(hào)分別接到功率合成器的端口三、端口二處，在功率合成器的端口一形成了第一信號(hào)，把該第一信號(hào)接到固支梁結(jié)構(gòu)的信號(hào)輸入端。CPW由CPW的地線、CPW的信號(hào)線共同組成。
微波信號(hào)通過固定長度的傳輸線會(huì)所產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的固定相移，當(dāng)所產(chǎn)生的相移在0°～180°內(nèi)時(shí)，信號(hào)的頻率與所產(chǎn)生的相移是一一對應(yīng)的，利用固支梁結(jié)構(gòu)測出這個(gè)相移量就可以測出這個(gè)信號(hào)的頻率。
假設(shè)被測微波信號(hào)的幅度已知，被測信號(hào)通過功率分配器產(chǎn)生了兩個(gè)信號(hào)，即形成了被測信號(hào)一～被測信號(hào)二(Us1～Us2)，Us1與Us2是完全相同的兩個(gè)信號(hào)，其電壓幅度的有效值為被測信號(hào)電壓有效值的 。Us1傳輸?shù)焦β屎铣善鞯牡谌丝?，Ur2通過一段長度為L的傳輸線，得到被測信號(hào)二_Us2′，它與Us1之間存在一個(gè)固定的相位差，這個(gè)相位差就是由長度為L的傳輸線產(chǎn)生的，將Us2′接到功率合成器的第二端口。在功率合成器的第一端口得到一個(gè)新信號(hào)，稱為第一信號(hào)，其大小由Us2′、Us1及它們之間的相位差決定。第一信號(hào)在通過帶有固支梁結(jié)構(gòu)的共面波導(dǎo)(CPW)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生靜電力，從而將固支梁下拉，引起固支梁與傳感電極之間電容發(fā)生變化，通過電容檢測電路測出電容，其值是與第一信號(hào)電壓的有效值的平方是一一對應(yīng)的，這樣就得到了第一信號(hào)電壓有效值的平方這個(gè)數(shù)值，由Us2′、Us1及第一信號(hào)組成的三角形的三邊長度都已知了，根據(jù)幾何知識(shí)可知，三角形的形狀也就確定下來了，根據(jù)余弦定理就可以確定Us2′、Us1之間的相位差為。由于與信號(hào)的頻率是一一對應(yīng)的，所以信號(hào)的頻率也就可以測量出來。
功率分配器和功率合成器在結(jié)構(gòu)形式上完全相同，當(dāng)從端口1輸入，從端口2、3輸出時(shí)為功率分配器；當(dāng)從端口2、3輸入，從端口1輸出時(shí)為功率合成器。
微電子機(jī)械微波頻率檢測器的制備方法為1)準(zhǔn)備砷化鎵襯底；選用的是未摻雜的半絕緣砷化鎵襯底，2)淀積氮化鉭，3)光刻并刻蝕氮化鉭，形成功率分配器、功率合成器的匹配電阻，即氮化鉭電阻，4)光刻；去除在功率分配器、功率合成器、共面波導(dǎo)傳輸線、傳感電極、固支梁結(jié)構(gòu)的橋墩結(jié)構(gòu)處的光刻膠，5)濺射金，剝離去除光刻膠；形成功率分配器、功率合成器、共面波導(dǎo)傳輸線、傳感電極、固支梁結(jié)構(gòu)的橋墩，金的厚度為0.3μm，6)淀積氮化硅介質(zhì)層；用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法工藝生長1000埃的氮化硅介質(zhì)層，7)光刻并刻蝕氮化硅介質(zhì)層；保留固支梁下方CPW的信號(hào)線、CPW的地線、傳感電極上的氮化硅，8)淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層；在砷化鎵襯底上涂覆1.6μm厚的聚酰亞胺犧牲層，要求填滿凹坑，聚酰亞胺犧牲層的厚度決定了固支梁與氮化硅介質(zhì)層所在平面的距離，光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留固支梁下的犧牲層，9)濺射鈦/金/鈦；濺射用于電鍍功率分配器、功率合成器、共面波導(dǎo)傳輸線、固支梁的底金鈦/金/鈦＝500/1500/300埃，10)光刻鈦/金/鈦；去除功率分配器、功率合成器、共面波導(dǎo)傳輸線、固支梁以外的光刻膠，11)電鍍金；電鍍金的厚度為2μm，12)去除光刻膠；13)反刻金層，腐蝕底金層，形成功率分配器、功率合成器、共面波導(dǎo)傳輸線、固支梁，14)釋放犧牲層；用顯影液溶解固支梁結(jié)構(gòu)下方的聚酰亞胺犧牲層，并用無水乙醇脫水，形成懸浮的固支梁結(jié)構(gòu)。
有益效果與現(xiàn)有的微波相位檢測器相比，這種新型的基于MEMS的技術(shù)的微波頻率檢測器具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)
1、該結(jié)構(gòu)由MEMS結(jié)構(gòu)和微波功率合成及分配器，以及微波傳輸線構(gòu)成，全部是無源器件，不需要消耗直流功率；2、該結(jié)構(gòu)與單片微波集成電路(MMIC)工藝完全兼容，便于集成；3、被測量信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍得到很大提高；而且這種結(jié)構(gòu)是基于MEMS技術(shù)的，具有MEMS的基本優(yōu)點(diǎn)，如體積小、重量輕、功耗低等。這一系列優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)的微波頻率檢測器無法比擬的，因此它具有很好的研究和應(yīng)用價(jià)值。


圖1是微波頻率檢測器的原理圖。
圖2是功分器的正面俯視圖。
圖3是固支梁結(jié)構(gòu)的正面俯視圖及A-A面的剖視圖。
圖4微波信號(hào)在固定長度傳輸線上相移和其頻率之間的關(guān)系圖。
圖中包括GaAs襯底1，氮化鉭(TaN)電阻2，CPW的地線3，傳感電極4，橋墩5，端口一6，端口二7，端口三8，不對稱共面帶線(ACPS)9，氮化硅(SiN)介質(zhì)層10，傳感電極引線11，MEMS膜即固支梁12，電容檢測端口13，CPW的信號(hào)線14。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的微電子機(jī)械微波頻率檢測器是一種微波瞬時(shí)頻率在線檢測器，以GaAs襯底為襯底，具體實(shí)施方案如下在襯底1上設(shè)有功率分配器a、功率合成器b、共面波導(dǎo)傳輸線e、固支梁結(jié)構(gòu)c功率分配器a、功率合成器b由共面波導(dǎo)構(gòu)成的端口一6、端口二7、端口三8、不對稱共面帶線9、氮化鉭電阻2組成，端口一6通過不對稱共面帶線9分別接端口二7、端口三8，在與端口二7、端口三8相接的兩不對稱共面帶線9之間連接有氮化鉭電阻2；固支梁結(jié)構(gòu)c以砷化鎵為襯1、在襯底1上的中間設(shè)有CPW的信號(hào)線14，在CPW的信號(hào)線14的兩旁分別設(shè)有CPW的地線3，在CPW的地線3外的兩旁分別設(shè)有傳感電極4，傳感電極4通過傳感電極引線11接電容檢測端口13的一個(gè)端，CPW的地線3接電容檢測端口13的另一個(gè)端，在傳感電極4外的兩旁分別設(shè)有橋墩5，在橋墩5上設(shè)有固支梁12，在固支梁12下方的CPW的信號(hào)線14、CPW的地線3、傳感電極4表面設(shè)有氮化硅介質(zhì)層10。
假設(shè)被測信號(hào)的幅度已知，被測信號(hào)通過功率分配器產(chǎn)生了兩個(gè)信號(hào)，即形成了被測信號(hào)1～被測信號(hào)2(Us1～Us2)，Us1與Us2是完全相同的兩個(gè)信號(hào)，其電壓幅度的有效值為被測信號(hào)電壓有效值的 。Us1直接接到功率合成器的第三端口，Ur2通過一段長度為L的傳輸線，得到被測信號(hào)二_(Us2′)，它與Us1之間存在一個(gè)固定的相位差，這個(gè)相位差就是由長度為L的傳輸線產(chǎn)生的，將Us2′接到功率合成器的第二端口。在功率合成器的第一端口得到一個(gè)新信號(hào)，稱為第一信號(hào)，其大小由Us2′、Us1及它們之間的相位差決定。第一信號(hào)在通過帶有固支梁結(jié)構(gòu)的共面波導(dǎo)(CPW)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生靜電力，從而將固支梁下拉，引起固支梁與傳感電極之間電容發(fā)生變化，通過電容檢測電路測出電容，其值是與第一信號(hào)電壓的有效值的平方是一一對應(yīng)的，這樣就得到了第一信號(hào)電壓有效值的平方這個(gè)數(shù)值，由Us2′、Us1及第一信號(hào)組成的三角形的三邊長度都已知了，根據(jù)幾何知識(shí)可知，三角形的形狀也就確定下來了，根據(jù)余弦定理就可以確定Us2′、Us1之間的相位差為。由于與信號(hào)的頻率是一一對應(yīng)的，所以信號(hào)的頻率也就可以測量出來。
CPW由CPW的地線3、CPW的信號(hào)線14共同組成。
微波頻率檢測器的工藝步驟如下1)準(zhǔn)備GaAs襯底；選用的是未摻雜的半絕緣砷化鎵襯底，2)淀積TaN，3)光刻并刻蝕TaN，形成功率分配器、功率合成器的匹配電阻，4)光刻；去除在功率分配器、功率合成器、共面波導(dǎo)、傳感電極、固支梁的橋墩等結(jié)構(gòu)處的光刻膠，5)濺射Au，剝離；形成功率分配器、功率合成器、CPW、傳感電極、MEMS膜的橋墩，Au的厚度為0.3μm，
6)淀積SiN介質(zhì)層；用PEVCD工藝生長1000埃的SiN介質(zhì)層，7)光刻并刻蝕SiN介質(zhì)層；保留固支梁下方CPW的信號(hào)線、CPW的地線、傳感電極上的SiN，8)淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層；在GaAs襯底上涂覆1.6μm厚的聚酰亞胺犧牲層，要求填滿凹坑，聚酰亞胺犧牲層的厚度決定了固支梁與氮化硅介質(zhì)層所在平面的距離。光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留MEMS膜下的犧牲層，9)濺射Ti/Au/Ti；濺射用于電鍍功率分配器、功率合成器、CPW、MEMS膜等結(jié)構(gòu)的底金Ti/Au/Ti＝500/1500/300埃，10)光刻Ti/Au/Ti；去除功率分配器、功率合成器、共面波導(dǎo)傳輸線、固支梁以外的光刻膠，11)電鍍Au；電鍍Au的厚度為2μm，12)去除光刻膠，13)反刻Au層，腐蝕底金層，形成功率分配器、功率合成器、CPW、MEMS膜等結(jié)構(gòu)，14)釋放犧牲層；用顯影液溶解MEMS膜下方的聚酰亞胺犧牲層，并用無水乙醇脫水，形成懸浮的MEMS膜結(jié)構(gòu)。
區(qū)分是否為該結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)如下測量被測信號(hào)的頻率是基于固支梁結(jié)構(gòu)的，即第一信號(hào)產(chǎn)生靜電力將固支梁下拉，引起電容的變化，由電容檢測電路測出電容，從而推出相位差，再有相位差反映其頻率。
滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的微電子機(jī)械微波頻率檢測器。
權(quán)利要求
1.一種微電子機(jī)械微波頻率檢測器，其特征在于該檢測器以砷化鎵為襯底(1)，在襯底(1)上設(shè)有功率分配器(a)、功率合成器(b)、共面波導(dǎo)傳輸線(e)、固支梁結(jié)構(gòu)(c)功率分配器(a)、功率合成器(b)由共面波導(dǎo)構(gòu)成的端口一(6)、端口二(7)、端口三(8)、不對稱共面帶線(9)、氮化鉭電阻(2)組成，端口一(6)通過不對稱共面帶線(9)分別接端口二(7)、端口三(8)，在與端口二(7)、端口三(8)相接的兩不對稱共面帶線(9)之間連接有氮化鉭電阻(2)；固支梁結(jié)構(gòu)(c)以砷化鎵為襯底(1)、在襯底(1)上的中間設(shè)有CPW的信號(hào)線(14)，在CPW的信號(hào)線(14)的兩旁分別設(shè)有CPW的地線(3)，在CPW的地線(3)外的兩旁分別設(shè)有傳感電極(4)，傳感電極(4)通過傳感電極引線(11)接電容檢測端口(13)的一個(gè)端，CPW的地線(3)接電容檢測端口(13)的另一個(gè)端，在傳感電極(4)外的兩旁分別設(shè)有橋墩(5)，在橋墩(5)上設(shè)有固支梁(12)，在固支梁(12)下方的CPW的信號(hào)線(14)、CPW的地線(3)、傳感電極(4)表面設(shè)有氮化硅介質(zhì)層(10)。
2.一種如權(quán)利要求1所述的微電子機(jī)械微波頻率檢測器的制備方法，其特征在于制備方法為1)準(zhǔn)備砷化鎵襯底(1)；選用的是未摻雜的半絕緣砷化鎵襯底，2)淀積氮化鉭，3)光刻并刻蝕氮化鉭，形成功率分配器、功率合成器的匹配電阻，即氮化鉭電阻(2)，4)光刻；去除在功率分配器(a)、功率合成器(b)、共面波導(dǎo)傳輸線(e)、傳感電極(4)、固支梁結(jié)構(gòu)(c)的橋墩(5)結(jié)構(gòu)處的光刻膠，5)濺射金，剝離去除光刻膠；形成功率分配器(a)、功率合成器(b)、共面波導(dǎo)傳輸線(e)、傳感電極(4)、固支梁結(jié)構(gòu)(c)的橋墩(5)，金的厚度為0.3μm，6)淀積氮化硅介質(zhì)層；用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法工藝生長1000埃的氮化硅介質(zhì)層(10)，7)光刻并刻蝕氮化硅介質(zhì)層；保留固支梁(12)下方CPW的信號(hào)線(14)、CPW的地線(3)、傳感電極(4)上的氮化硅，8)淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層；在砷化鎵襯底上涂覆1.6μm厚的聚酰亞胺犧牲層，要求填滿凹坑，聚酰亞胺犧牲層的厚度決定了固支梁(12)與氮化硅介質(zhì)層(10)所在平面的距離，光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留固支梁(12)下的犧牲層，9)濺射鈦/金/鈦；濺射用于電鍍功率分配器、功率合成器、共面波導(dǎo)傳輸線、固支梁結(jié)構(gòu)的底金鈦/金/鈦＝500/1500/300埃，10)光刻鈦/金/鈦；去除功率分配器、功率合成器、共面波導(dǎo)傳輸線、固支梁以外的光刻膠，11)電鍍金；電鍍金的厚度為2μm，12)去除光刻膠，13)反刻金層，腐蝕底金層，形成功率分配器、功率合成器、共面波導(dǎo)傳輸線、固支梁，14)釋放犧牲層；用顯影液溶解固支梁結(jié)構(gòu)下方的聚酰亞胺犧牲層，并用無水乙醇脫水，形成懸浮的固支梁結(jié)構(gòu)。
全文摘要
微電子機(jī)械微波頻率檢測器及其制備方法是一種結(jié)構(gòu)非常簡單，測量信號(hào)的幅度變大、不需要消耗直流功率，且便于集成的微電子機(jī)械微波頻率檢測器及其制備方法，該微電子機(jī)械微波頻率檢測器以砷化鎵為襯底(1)，在襯底(1)上設(shè)有功率分配器(a)、功率合成器(b)、共面波導(dǎo)傳輸線(e)、固支梁結(jié)構(gòu)(c)；被測信號(hào)通過功率分配器(a)產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)，即形成了被測信號(hào)一～被測信號(hào)二(U
文檔編號(hào)G01R23/12GK101059541SQ20071002242
公開日2007年10月24日 申請日期2007年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月18日
發(fā)明者廖小平, 焦永昌 申請人:東南大學(xué)