專利名稱：基于固支梁電容式微機械微波功率傳感器的相位檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了基于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的微波相位檢測裝置，屬于微電子機械系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在微波技術(shù)研究中，微波相位是表征微波信號特征的一個重要參數(shù)。相位檢測裝置在鎖相環(huán)(PLL)等方面有極其廣泛的應用，利用場效應晶體管構(gòu)成的吉爾伯特乘法器是應用最廣泛的微波相位檢測器，乘法器的兩個輸入端分別接入?yún)⒖夹盘柡痛郎y信號，就可以得到一個高頻項和一個低頻項，再由低通濾波器濾去高頻項從而得到它們之間的相位差，但在此過程中會帶來不可忽略的噪聲和功耗，從而影響檢測的準確度。從二十世紀末開始，隨著RF MEMS技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展，低噪聲和低功耗的微波相位檢測裝置的實現(xiàn)成為可能，本發(fā)明即為基于此技術(shù)的檢測裝置。

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固支梁電容式微機械微波功率傳感器的相位檢測裝置，通過測量參考信號與經(jīng)過數(shù)字式移相器移相的待測信號合成后的信號功率的方法，實現(xiàn)精確檢測微波信號相位的目的。技術(shù)方案本發(fā)明的一種基于固支梁電容式微機械微波功率傳感器的微波相位檢測裝置，該檢測裝置包括固支梁電容式微機械微波功率傳感器、功率合成器、可調(diào)數(shù)字式移相器以及電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器；其中，將與待測信號頻率相同的參考微波信號加到功率合成器的輸入端口一，將待測微波信號加到可調(diào)數(shù)字式移相器的輸入端口，經(jīng)過可調(diào)數(shù)字式移相器移相后加到功率合成器的輸入端口二；這兩路信號經(jīng)過功率合成器進行矢量合成后到達功率合成器的輸出端口，然后加在固支梁電容式微機械微波功率傳感器的輸入端口。優(yōu)選的，固支梁電容式微機械微波功率傳感器包括共面波導傳輸線、共面波導傳輸線的地平面、薄膜、固支梁、固支梁的下電極和襯底；其中，共面波導傳輸線設(shè)在襯底的表面，共面波導傳輸線的地平面設(shè)在共面波導傳輸線上，與共面波導傳輸線相對設(shè)置且絕緣的固支梁、共面波導傳輸線與固支梁之間保持有間距，設(shè)在共面波導傳輸線上且與固支粱相對設(shè)置的固支梁的下電極，覆蓋在固支粱下電極表面的薄膜。優(yōu)選的，襯底為砷化鎵襯底，薄膜為氮化硅薄膜。優(yōu)選的，電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的測試端口一和測試端口二分別接在固支梁的下電極和共面波導傳輸線的地平面。優(yōu)選的，待測信號的原相位是一個唯一的值。有益效果與已有的微波相位檢測裝置相比，這種基于固支梁電容式微機械微波功率傳感器的相位檢測裝置具有以下顯著的優(yōu)點1、可調(diào)數(shù)字式移相器可以精確控制合成信號的功率從而提高測量精度；2、該傳感器的制備與單片微波集成電路(MMIC)工藝完全兼容，可與信息處理電路集成；由于基于固支梁電容式微機械微波功率傳感器的相位檢測裝置具有MEMS普遍共有的重量輕、功耗低等一系列優(yōu)點，這是傳統(tǒng)的微波相位檢測裝置無法比擬的，所以具有極高的科學研究和工業(yè)應用的價值。


圖1是基于固支梁電容式微機械微波功率傳感器的相位檢測裝置的原理圖。圖2是固支梁電容式微機械微波功率傳感器的正面俯視圖。圖3是基于固支梁電容式微機械微波功率傳感器的相位檢測裝置的線路連接圖。圖4是功率合成器。圖5是兩個矢量合成原理圖。圖中包括共面波導傳輸線1，共面波導傳輸線的地平面2，氮化硅薄膜3，MEMS固支梁4，MEMS固支梁的下電極5，砷化鎵襯底6，可調(diào)數(shù)字式移相器的輸入端口 7，可調(diào)數(shù)字式移相器8,可調(diào)數(shù)字式移相器的輸出端口 9,功率合成器的輸入端口一 10,功率合成器的輸入端口二 11，功率合成器12，功率合成器的輸出端口 13，固支梁電容式微機械微波功率傳感器的輸入端口 14，固支梁電容式微機械微波功率傳感器15，電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的測試端口一 16，電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的測試端口二 17，電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器18。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明做進一步說明。本發(fā)明的基于固支梁電容式微機械微波功率傳感器的相位檢測裝置利用了可調(diào)數(shù)字式移相器、功率合成器以及固支梁電容式微機械微波功率傳感器將待測微波信號Vx經(jīng)過可調(diào)數(shù)字式移相器移相后加到功率合成器的一個輸入端口，將與待測信號頻率相同的參考微波信號Vref加到功率合成器的另一個端口。這兩路信號經(jīng)過功率合成器進行矢量合成后加在固支梁電容式微機械微波功率傳感器的輸入端口。待測信號Vx經(jīng)過可調(diào)數(shù)字式移相器后會在原相位的基礎(chǔ)上增加額外的附加相位角度f ，通過調(diào)節(jié)可調(diào)數(shù)字式移相器的移相度，可使此路信號相對于即將與其進行矢量合成的參考信號的相位角度fMf成為180度或0度，即
Px + f>a — Pref = 180° 或穴 + 凡—= O0如果該角度是180度，由于矢量相減，則經(jīng)過信號合成后在功率合成器的輸出端口處的信號功率為最小值；如果該角度是0度，由于矢量相加，則在功率合成器的輸出端口處的信號功率為最大值，其中兩次附加相位角度,之差肯定為180度，這樣保證推算出的待測信號Vx的原相位_是一個唯一的值。固支梁電容式微機械微波功率傳感器的主體為MEMS固支梁。當微波信號通過共面波導傳輸線進入該傳感器后，由于MEMS固支梁與共面波導信號線之間產(chǎn)生了靜電力，此靜電力將使MEMS固支梁產(chǎn)生位移，從而使MEMS固支梁與下電極之間的電容值發(fā)生變化，通過ADI公司的24位電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD7747EBZ測量出此電容的最小值和最大值，分別對應功率合成器的輸出端口處的信號功率的最小值和最大值，從而判斷角度是180度還是0度。本發(fā)明的基于固支梁電容式微機械微波功率傳感器的相位檢測裝置是一種使用了矢量合成原理的微波相位檢測裝置，具體實施方案如下該檢測裝置使用了固支梁電容式微機械微波功率傳感器、功率合成器、可調(diào)數(shù)字式移相器以及電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。其中，固支梁電容式微機械微波功率傳感器包括共面波導傳輸線1、氮化硅薄膜3、MEMS固支梁4、MEMS固支梁的下電極5和砷化鎵襯底6。其中，共面波導傳輸線I設(shè)在襯底6的表面，共面波導傳輸線的地平面2設(shè)在共面波導傳輸線I上，與共面波導傳輸線I相對設(shè)置且絕緣的固支梁4、共面波導傳輸線I與固支梁4之間保持有間距，設(shè)在共面波導傳輸線I上且與固支粱4相對設(shè)置的固支梁的下電極5，覆蓋在固支粱4下電極5表面的薄膜3。將與待測信號Vx頻率相同的參考微波信號Vref加到功率合成器的輸入端口一 10，將待測微波信號Vx加到可調(diào)數(shù)字式移相器輸入端口 7，經(jīng)過可調(diào)數(shù)字式移相器8移相后加到功率合成器的輸入端口二 11。這兩路信號經(jīng)過功率合成器12進行矢量合成后到達功率合成器的輸出端口 13,然后加在固支梁電容式微機械微波功率傳感器的輸入端口 14,電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的測試端口一 16和測試端口二 17分別接在MEMS固支梁的下電極5和共面波導傳輸線的地平面2。通過可調(diào)數(shù)字式移相器8可以在待測信號Vx的相位的基礎(chǔ)上增加額外的附加相位角度結(jié)果使得此路信號的相位角度相對于即將與其進行矢量合成的參考信號的相位角度Ifef成為180度或0度，即ft + ft — f f = 180`°或氣 + -^lrf=O0如果該角度成為180度，由于矢量相減，則在功率合成器的輸出端口 13處的信號功率為最小值；如果該角度成為0度，由于矢量相加，則在功率合成器的輸出端口 13處的信號功率為最大值，其中兩次附加相位角度之差肯定為180度，這樣保證推算出的待測信號Vx的原相位％是一個唯一的值。固支梁電容式微機械微波功率傳感器15的主體為MEMS固支梁4。當微波信號通過共面波導傳輸線I進入該傳感器后，由于MEMS固支梁4與共面波導傳輸線I之間產(chǎn)生了靜電力，此靜電力將使MEMS固支梁4產(chǎn)生位移，從而使MEMS固支梁4與MEMS固支梁的下電極5之間的電容值發(fā)生變化，通過電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器18測量出此電容的最小值和最大值，分別對應功率合成器的輸出端口處的信號功率的最小值和最大值，從而判斷被合成的兩個矢量之間的角度是180度還是0度。如果該角度成為180度，則意味著參考信號的相位角度Prf加上180度再減去數(shù)字式移相器8所示移相度數(shù)_后即為待測信號的相位外;如果該角度成為0度，則意味著參考信號的相位角度frf減去數(shù)字式移相器8所示移相度數(shù)^后即為待測信號Vx的相位其中兩次附加相位角度,之差肯定為180度，這樣保證推算出的待測信號Vx的原相位^%是一個唯一的值。采用與砷化鎵微波單片集成電路(MMIC)工藝相兼容的MEMS加工工藝來制作固支梁電容式微機械微波功率傳感器15，具體的工藝步驟如下a)金鍺鎳/金層被蒸發(fā)在500 U m厚的砷化鎵襯底上，
b)淀積氮化硅作為介質(zhì)層，c)旋涂聚酰亞胺犧牲層，d)電鍍鈦/金/鈦種子層，e)移除頂部鈦層，再電鍍金層，f)亥Ij蝕鈦/金/鈦，形成孔，g)刻蝕聚酰亞胺犧牲層，h)減薄襯底至100 iim。區(qū)分是否為該結(jié)構(gòu)的標準如下該微波相位檢測裝置采用了測量參考信號VMf與經(jīng)過可調(diào)數(shù)字式移相器移相的待測信號Vx合成后的信號功率的方法，從而實現(xiàn)了對微波相位的精確測量，由移相、功率合成和功率檢測三部分組成。即將與待測信號頻率相同的參考微波信號VMf加到功率合成器的輸入端口一 10，將待測微波信號Vx經(jīng)過可調(diào)數(shù)字式移相器8搬移一定的相位角度后加到功率合成器的輸入端口二 11。這兩路信號經(jīng)過功率合成器12進行矢量合成后加在固支梁電容式微機械微波功率傳感器的輸入端口 14上，通過裝置的檢測部分(電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器18)精確地檢測出電容的最小值和最大值，分別對應功率合成器12的輸出端口 13處的信號功率的最小值和最大值，從而判斷被合成的兩個矢量之間的角度是180度還是0度。如果該角度成為180度，則意味著參考信號的相位角度加上180度再減去數(shù)字式移相器8所示移相度數(shù)作后即為待測信號的相位如果該角度成為0度，則意味著參考信號的相位角度fref減去數(shù)字式移相器8所示移相度數(shù)fa后即為待測信號Vx的相位，其中兩次附加相位角度ft之差肯定為180度，這樣保證推算出的待測信號Vx的原相位是一個唯一的值。滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即被視為本發(fā)明的基于固支梁電容式微機械微波功率傳感器的微波相位檢測裝置。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應納入權(quán)利要求書中記載的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于固支梁電容式微機械微波功率傳感器的微波相位檢測裝置，其特征在于，該檢測裝置包括 固支梁電容式微機械微波功率傳感器、功率合成器、可調(diào)數(shù)字式移相器以及電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器；其中， 將與待測信號(Vx)頻率相同的參考微波信號(VMf)加到功率合成器的輸入端口一(10)，將待測微波信號(Vx)加到可調(diào)數(shù)字式移相器的輸入端口(7)，經(jīng)過可調(diào)數(shù)字式移相器(8 )移相后加到功率合成器的輸入端口二( 11);這兩路信號經(jīng)過功率合成器(12 )進行矢量合成后到達功率合成器的輸出端口( 13)，然后加在固支梁電容式微機械微波功率傳感器的輸入端口(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于固支梁電容式微機械微波功率傳感器的微波相位檢測裝置，其特征在于，固支梁電容式微機械微波功率傳感器包括共面波導傳輸線(I )、共面波導傳輸線的地平面(2)、薄膜(3)、固支梁(4)、固支梁的下電極(5)和襯底(6);其中， 共面波導傳輸線(I)設(shè)在襯底(6)的表面，共面波導傳輸線的地平面(2)設(shè)在共面波導傳輸線(I)上，與共面波導傳輸線(I)相對設(shè)置且絕緣的固支梁(4)、共面波導傳輸線(I)與固支梁(4)之間保持有間距，設(shè)在共面波導傳輸線(I)上且與固支粱(4)相對設(shè)置的固支梁的下電極(5)，覆蓋在固支粱(4)下電極(5)表面的薄膜(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于固支梁電容式微機械微波功率傳感器的微波相位檢測裝置，其特征在于，襯底(6)為砷化鎵襯底，薄膜(3)為氮化硅薄膜(3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于固支梁電容式微機械微波功率傳感器的微波相位檢測裝置，其特征在于，電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的測試端口一( 16)和測試端口二( 17)分別接在固支梁的下電極(5)和共面波導傳輸線的地平面(2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于固支梁電容式微機械微波功率傳感器的微波相位檢測裝置，其特征在于，待測信號(Vx)的原相位(^)是一個唯一的值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于固支梁電容式微機械微波功率傳感器的微波相位檢測裝置，該檢測裝置包括固支梁電容式微機械微波功率傳感器、功率合成器、可調(diào)數(shù)字式移相器以及電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器；其中，將與待測信號(Vx)頻率相同的參考微波信號(Vref)加到功率合成器的輸入端口一(10)，將待測微波信號(Vx)加到可調(diào)數(shù)字式移相器的輸入端口(7)，經(jīng)過可調(diào)數(shù)字式移相器(8)移相后加到功率合成器的輸入端口二(11)；這兩路信號經(jīng)過功率合成器(12)進行矢量合成后到達功率合成器的輸出端口(13)，然后加在固支梁電容式微機械微波功率傳感器的輸入端口(14)。本發(fā)明實現(xiàn)精確檢測微波信號相位的目的。
文檔編號G01R25/04GK103063918SQ20121057604
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者廖小平, 崔焱 申請人:東南大學