本發(fā)明提出了一種硅基懸臂梁T型結間接加熱式未知頻率毫米波相位檢測器，屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的技術領域。

背景技術：

在微波技術領域，相位是微波信號的重要參數(shù)之一，微波信號相位檢測在微波信號的產(chǎn)生、傳播和接收的各個環(huán)節(jié)中都有著極其重要的作用，是電磁測量不可缺少的一部分。在實際應用中，微波信號相位檢測系統(tǒng)可用于測量物體的方位角、提取運動物體的多普勒頻移、相控陣雷達以及測量器件的相位特性等。微波信號相位檢測的方法主要有兩種：信號分解法和矢量合成法。矢量合成法同信號分解法相比，具有結構原理簡單、工作頻帶寬、無源檢測等優(yōu)點，同時易通過已經(jīng)成熟的MEMS工藝實現(xiàn)，實現(xiàn)微波信號檢測系統(tǒng)的小型化和集成化。長為1～10毫米的電磁波稱為毫米波，屬于較高頻率的微波，由于具有較大的帶寬和較窄的波束，實現(xiàn)毫米波相位的檢測有著重要的意義。

技術實現(xiàn)要素：

技術問題:本發(fā)明的目的是提供一種硅基微機械懸臂梁耦合間接加熱式毫米波相位檢測器，兩組懸臂梁在CPW中央信號線的上方，耦合部分待測信號，兩組懸臂梁耦合信號的相位差在所測信號頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz處為90度；每組懸臂梁由兩個對稱的懸臂梁組成，兩個懸臂梁耦合的功率相等，其中一個懸臂梁耦合的信號用于耦合功率和頻率檢測，兩種狀態(tài)轉換通過開關實現(xiàn)，另一個懸臂梁耦合的信號用于相位檢測，從而完成未知頻率毫米波相位的檢測。

技術方案：為解決上述技術問題，本發(fā)明提出了一種硅基微機械懸臂梁耦合間接加熱式毫米波相位檢測器。相位檢測器的實現(xiàn)結構選擇高阻Si為襯底，由懸臂梁耦合結構、功率合成器/分配器、間接加熱式微波功率傳感器和開關構成；其中，懸臂梁耦合結構上下、左右對稱，由CPW中央信號線、傳輸線地線、懸臂梁、懸臂梁錨區(qū)構成，懸臂梁置于CPW中央信號線的上方，在懸臂梁的下方有一層Si₃N₄介電層覆蓋中央信號線；待測信號由懸臂梁耦合結構的第一端口輸入，從第二端口輸出到下級電路；上方兩個懸臂梁耦合的信號由第三端口和第四端口輸出，第三端口與第一開關的第七端口相連，第四端口與第二開關的第十端口相連，第一開關的第八端口與第一間接加熱式微波功率傳感器相連，第九端口與第一T型結的第十三端口相連，第二開關的第十一端口與第二間接加熱式微波功率傳感器相連，第十二端口與第一功率合成器的第十四端口相連，最后，第一功率合成器的第十五端口接第三間接加熱式微波功率傳感器；下方兩個懸臂梁耦合的信號由第五端口和第六端口輸出，第五端口與第三T型結的第十九端口相連，第六端口與第四T型結的第二十二端口相連，待測信號從第二T型結的第十六端口輸入，第二T型結的第十七端口與第三T型結的第二十端口相連，第十八端口與第四T型結的第二十三端口相連，第三T型結的第二十一端口接第四間接加熱式微波功率傳感器，第四T型結的第二十四端口接第五間接加熱式微波功率傳感器。

T型結由CPW中央信號線、傳輸線地線以及空氣橋構成，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。

待測毫米波信號從第一端口輸入，參考信號由第十六端口輸入；進行毫米波頻率和相位檢測時，首先通過開關將耦合信號輸入到間接加熱式微波功率傳感器測出耦合信號的功率大小，接著通過開關將兩路所測信號頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz處相位差為90度的耦合信號輸入到T型結，同樣使用間接加熱式微波功率傳感器檢測合成信號功率大小，由耦合信號和合成信號的大小可以推算出毫米波信號的頻率；另外兩路所測信號頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz處相位差為90度的耦合信號分別和功率等分后的參考信號合成，由間接加熱式微波功率傳感器檢測出兩路合成信號功率的大小，聯(lián)立方程可以求解待測毫米波信號的相位，可實現(xiàn)未知頻率毫米波在整個周期范圍內(nèi)相位角的測量。

有益效果：本發(fā)明相對于現(xiàn)有的相位檢測器具有以下優(yōu)點：

1.本發(fā)明的相位檢測器采用懸臂梁耦合方式，能夠實現(xiàn)在線式的相位檢測，待測信號經(jīng)過檢測后可以繼續(xù)輸出到下一級使用；

2.同時可以進行頻率檢測，從而能夠實現(xiàn)未知頻率信號的相位檢測；

3.原理和結構簡單，版圖面積較小，全部由無源器件組成因而不存在直流功耗；

4.本發(fā)明的相位檢測由于采用間接加熱式微波功率傳感器實現(xiàn)耦合功率測量，線性度好，動態(tài)范圍大。

附圖說明

圖1為本發(fā)明硅基懸臂梁T型結間接加熱式未知頻率毫米波相位檢測器的實現(xiàn)結構示意圖；

圖2為本發(fā)明懸臂梁耦合結構的A-A’向的剖面圖；

圖3為本發(fā)明T型結的俯視圖；

圖4為本發(fā)明間接加熱式微波功率傳感器的俯視圖；

圖5為本發(fā)明間接加熱式微波功率傳感器的B-B’向的剖面圖；

圖6為本發(fā)明開關的俯視圖；

圖7為本發(fā)明開關的C-C’向的剖面圖。

圖中包括：高阻Si襯底1，SiO₂層2，CPW中央信號線3，傳輸線地線4，懸臂梁5，懸臂梁錨區(qū)6，空氣橋7，終端電阻8，P型半導體臂9，N型半導體臂10，熱電堆金屬互連線11，輸出Pad12，Si₃N₄介電層13，下拉電極14，懸臂梁耦合結構15，第一開關16，第二開關17，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。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做進一步說明。

參見圖1-7，本發(fā)明提出了一種硅基微機械懸臂梁耦合間接加熱式毫米波相位檢測器。實現(xiàn)結構主要包括：懸臂梁耦合結構15、T型結、間接加熱式微波功率傳感器和開關。其中，懸臂梁耦合結構15用于耦合待測信號的部分功率，用于相位檢測；T型結為三端口器件，可用于功率分配和功率合成，無需隔離電阻；間接加熱式微波功率傳感器用于檢測微波信號的功率，原理是基于焦耳效應和塞貝克效應；開關用于轉換耦合功率檢測和頻率檢測兩種狀態(tài)。

懸臂梁耦合結構15由CPW中央信號線3、傳輸線地線4、懸臂梁5、懸臂梁錨區(qū)6構成。兩組懸臂梁5懸于CPW中央信號線3上方，中間隔有Si₃N₄介質(zhì)層13和空氣，等效一個雙介質(zhì)層的MIM電容，懸臂梁5末端通過懸臂梁錨區(qū)6同耦合分支的CPW中央信號線3相連，每組懸臂梁5包括兩個對稱設計的懸臂梁5，兩組懸臂梁5之間的CPW傳輸線電長度在所測信號頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz處為λ/4。通過調(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，用于補償懸臂梁5的引入帶來的電容變化。

T型結由CPW中央信號線3、傳輸線地線4以及空氣橋7構成，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。

間接加熱式微波功率傳感器由CPW中央信號線3、傳輸線地線4、終端電阻8、P型半導體臂9、N型半導體臂10、熱電堆金屬互連線11、輸出Pad12構成。在終端電阻8和熱電堆的下方，高阻Si襯底1被刻蝕形成SiO₂薄膜結構，用于增大熱電堆的輸出靈敏度。微波信號通過CPW傳輸?shù)浇K端電阻8耗散為熱，在薄膜上形成一定的溫度分布，由于熱電堆的冷熱兩端存在一定的溫度差，基于Seebeck效應輸出正比于溫度差的熱電勢。

開關由CPW中央信號線3、傳輸線地線4、懸臂梁5、懸臂梁錨區(qū)6和下拉電極14構成，下拉電極14上覆蓋有一層Si₃N₄介電層13，未施加直流電壓時，兩個支路處于斷開狀態(tài)，通過在下拉電極14上施加一定的直流偏置，可實現(xiàn)對應支路的導通，進一步實現(xiàn)耦合功率檢測和頻率檢測兩種狀態(tài)的轉換。

當?shù)谝欢丝?-1輸入一定功率的微波信號時，待測信號經(jīng)過CPW傳輸線，由第二端口1-2進入下一級。位于CPW中央信號線3上方的懸臂梁5會耦合部分功率，由于每組中兩個懸臂梁5對稱設計，所以耦合的微波功率相等。兩組懸臂梁5中各選一路耦合信號，中心頻率f₀＝35GHz處相位差為90度，頻率f時相位差可表示為：

兩路耦合信號可以表示為：

其中，a₁和a₂分別為兩路耦合信號的幅度，ω為輸入信號的角頻率，為初始相位，通過開關使得耦合信號輸入到間接加熱式微波功率傳感器，可以得到a₁和a₂的大小。合成信號的功率可表示為：

為獲得合成信號的功率P，通過開關使得耦合信號輸入到T型結，并由間接加熱式微波功率傳感器進行功率檢測。由(1)和(4)式，信號頻率和輸出功率的關系可以表示為：

根據(jù)上式關系，可由間接加熱式微波功率傳感器的輸出得到待測毫米波信號的頻率。

進行相位檢測時，另外兩路所測信號頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz處相位差為90度的耦合信號分別和功率等分后的參考信號合成，功率等分后的參考信號可以表示為：

v₃＝a₃cos(ωt+φ) (6)

則合成信號的功率大小分別為：

P₁和P₂的大小由終端的微波功率傳感器進行檢測，根據(jù)(10)和(11)所示待測信號相位和合成信號功率的大小的關系，只存在一個未知量，由間接加熱式微波功率傳感器的輸出熱電勢可以得到待測毫米波信號的相位，可實現(xiàn)未知頻率毫米波在整個周期范圍內(nèi)相位角的測量。

本發(fā)明的硅基懸臂梁T型結間接加熱式未知頻率毫米波相位檢測器實現(xiàn)結構的制備方法如下：

1)準備4英寸高阻Si襯底1，電導率為4000Ωcm，厚度為400μm；

2)熱生長一層SiO₂層2，厚度為1.2μm；

3)化學氣相淀積(CVD)生長一層多晶硅，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，接著注入磷(P)離子，摻雜濃度為10¹⁵cm^-2，形成終端電阻8；

5)涂覆一層光刻膠，用P⁺光刻板進行光刻，除P型半導體臂區(qū)域暴露以外，其他區(qū)域被光刻膠保護，接著注入硼(B)離子，摻雜濃度為10¹⁶cm^-2，形成熱電偶的P型半導體臂9；

6)涂覆一層光刻膠，用N⁺光刻板進行光刻，除N型半導體臂區(qū)域暴露以外，其他區(qū)域被光刻膠保護，接著注入磷(P)離子，摻雜濃度為10¹⁶cm^-2，形成熱電偶的N型半導體臂10；

7)涂覆一層光刻膠，光刻熱電堆臂和多晶硅電阻圖形，再通過干法刻蝕形成熱電偶臂和多晶硅電阻；

8)涂覆一層光刻膠，光刻去除傳輸線、熱電堆金屬互連線11、下拉電極14以及輸出Pad12處的光刻膠；

9)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、熱電堆金屬互連線11、下拉電極14以及輸出Pad12；

10)LPCVD淀積一層Si₃N₄，厚度為0.1μm；

11)涂覆一層光刻膠，光刻并保留懸臂梁5下方的光刻膠，干法刻蝕Si₃N₄，形成Si₃N₄介電層13；

12)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；

13)涂覆光刻膠，光刻去除懸臂梁5、懸臂梁錨區(qū)6、傳輸線以及輸出Pad12位置的光刻膠；

14)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；

15)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、傳輸線和輸出Pad12；

16)深反應離子刻蝕(DRIE)襯底材料背面，制作熱電堆下方的薄膜結構；

17)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，無水乙醇脫水，常溫下?lián)]發(fā)，晾干。

區(qū)分是否為該結構的標準如下：

本發(fā)明的硅基懸臂梁T型結間接加熱式未知頻率毫米波相位檢測器，結構的襯底材料為高阻Si。待測毫米波信號由端口1-1輸入，由端口1-2輸出，位于CPW中央信號線3上方的兩組懸臂梁5耦合部分待測毫米波信號，每組懸臂梁5包括兩個對稱設計的懸臂梁5，兩個懸臂梁5耦合的功率相等，其中一個懸臂梁5的耦合信號用于耦合功率和頻率檢測，兩種狀態(tài)轉換通過開關實現(xiàn)，另一個懸臂梁5的耦合信號用于相位檢測；首先通過開關使得耦合信號直接輸入到間接加熱式微波功率傳感器檢測耦合功率大小，接著通過開關使得兩路在所測信號頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz處相位差為90度的耦合信號進行合成并由間接加熱式微波功率傳感器檢測合成功率，從而推算出待測信號的頻率；相位檢測時，將兩路在所測信號頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz處相位差為90度的耦合信號，分別同兩路等分后的參考信號合成，同樣利用間接加熱式微波功率傳感器檢測合成功率，從而獲得待測信號的相位。

滿足以上條件的結構即視為本發(fā)明的硅基懸臂梁T型結間接加熱式未知頻率毫米波相位檢測器。