本發(fā)明提出了硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測(cè)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)：

隨著電子信息電子科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，人們已經(jīng)來到了一個(gè)信息非常多元化的時(shí)代，人們周圍都充斥著各種各樣的信息通訊設(shè)備，歸根結(jié)底地講，幾乎所有的通訊信息設(shè)備都離不開對(duì)信號(hào)的檢測(cè)和處理，因此信號(hào)的檢測(cè)也一直是人們?nèi)找娌粩嘌芯康闹匾獌?nèi)容。目前，人們研究的大多數(shù)信號(hào)主要集中在低頻和某些高頻波段，對(duì)于極高頻的信號(hào)研究較少，毫米波信號(hào)是一種位于微波和遠(yuǎn)紅外波交疊區(qū)域的極高頻信號(hào)，隨著對(duì)頻段資源的不斷開發(fā)，毫米波的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)也被提上了時(shí)代大舞臺(tái)。眾所周知，一個(gè)信號(hào)的三大參數(shù)為頻率、相位和功率，其中毫米波信號(hào)的相位檢測(cè)是非常重要的一部分內(nèi)容，然而當(dāng)今的相位檢測(cè)器通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易于集成，而且頻率也無法達(dá)到極高頻，通常毫米波的相位檢測(cè)分為已知頻率下和未知頻率下的檢測(cè)，在實(shí)際情況下，一個(gè)未知信號(hào)的頻率也是無法知曉的，因此未知頻率下的相位檢測(cè)器必須先測(cè)量其頻率，確定參考信號(hào)的頻率，最后再測(cè)量相位。

在共面波導(dǎo)縫隙耦合結(jié)構(gòu)、Wilkinson功分器、Wilkinson功合器以及直接式熱電式功率傳感器的研究基礎(chǔ)上，本發(fā)明在高阻Si襯底上設(shè)計(jì)了一種在未知頻率下的毫米波在線相位檢測(cè)器，本發(fā)明利用了共面波導(dǎo)縫隙耦合結(jié)構(gòu)將毫米波的頻率和相位檢測(cè)集成在一起，具有較高的潛在價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測(cè)器，本發(fā)明采用了簡(jiǎn)單新穎的共面波導(dǎo)縫隙耦合結(jié)構(gòu)，在功率分配和功率合成方面則采用了常見的Wilkinson功分器和Wilkinson功合器結(jié)構(gòu)，在合成信號(hào)的測(cè)量方面則采用了直接式熱電式功率傳感器。

技術(shù)方案：本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測(cè)器是由共面波導(dǎo)、一號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)、二號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)、三號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)、四號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)、移相器、一號(hào)單刀雙擲開關(guān)、二號(hào)單刀雙擲開關(guān)、一個(gè)Wilkinson功分器、三個(gè)Wilkinson功合器以及五個(gè)直接式熱電式功率傳感器所構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系如下：第一端口是信號(hào)輸入端，一號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)和二號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)位于共面波導(dǎo)上側(cè)地線，三號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)和四號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)則位于共面波導(dǎo)下側(cè)地線，這兩對(duì)縫隙關(guān)于中心信號(hào)線對(duì)稱，它們之間由一個(gè)移相器隔開，首先來看頻率檢測(cè)模塊，一號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)連接到第二端口，第二端口與一號(hào)單刀雙擲開關(guān)的輸入端相連，一號(hào)單刀雙擲開關(guān)的輸出端分別連接到一號(hào)Wilkinson功合器和一號(hào)直接式熱電式功率傳感器，同樣的，二號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)連接到第三端口，第三端口與二號(hào)單刀雙擲開關(guān)的輸入端相連，二號(hào)單刀雙擲開關(guān)的輸出端分別連接到一號(hào)Wilkinson功合器和二號(hào)直接式熱電式功率傳感器，而一號(hào)Wilkinson功合器的輸出端連接到三號(hào)直接式熱電式功率傳感器；再看相位檢測(cè)模塊，三號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)與第四端口相連，第四端口連接到二號(hào)Wilkinson功合器，四號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)與第五端口相連，第五端口連接到三號(hào)Wilkinson功合器，參考信號(hào)通過四號(hào)Wilkinson功分器的輸入端輸入，四號(hào)Wilkinson功分器的輸出端分別連接到二號(hào)Wilkinson功合器和三號(hào)Wilkinson功合器，然后，二號(hào)Wilkinson功合器的輸出端連接四號(hào)直接式熱電式功率傳感器，三號(hào)Wilkinson功合器的輸出端連接五號(hào)直接式熱電式功率傳感器，第六端口處連接著后續(xù)處理電路。

首先，對(duì)于毫米波的頻率檢測(cè)模塊，它主要是由兩個(gè)縫隙耦合結(jié)構(gòu)、一段移相器、兩個(gè)單刀雙擲開關(guān)、一個(gè)Wilkinson功合器以及一個(gè)直接式功熱電式率傳感器所構(gòu)成，毫米波信號(hào)首先經(jīng)過第一個(gè)縫隙耦合結(jié)構(gòu)耦合出小部分的信號(hào)P₁，然后經(jīng)過一段移相器之后再由另一個(gè)縫隙耦合結(jié)構(gòu)耦合出部分的信號(hào)P₂，這樣兩個(gè)耦合信號(hào)之間就產(chǎn)生了一定的相位差實(shí)際上這段移相器就是一段共面波導(dǎo)傳輸線，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Wilkinson功合器進(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)單刀雙擲開關(guān)將兩個(gè)耦合出來的小信號(hào)率先進(jìn)行功率檢測(cè)，得到其功率大小，然后再通過Wilkinson功合器進(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，還需要通過相位檢測(cè)模塊來精確確定原毫米波信號(hào)的相位Φ。

其次，對(duì)于毫米波的相位檢測(cè)模塊，同樣地也是由兩個(gè)縫隙耦合結(jié)構(gòu)耦合出部分小信號(hào)P₃和P₄，由于縫隙尺寸相同，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，只是其中第二個(gè)縫隙耦合信號(hào)多傳播了相位參考信號(hào)P_c經(jīng)過Wilkinson功分器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)縫隙耦合信號(hào)進(jìn)行功率合成，得到合成功率P_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)縫隙耦合信號(hào)進(jìn)行功率合成，得到合成功率P_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。

有益效果：在本發(fā)明中，采取了簡(jiǎn)單新穎的縫隙耦合結(jié)構(gòu)，這種縫隙耦合結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒃诠裁娌▽?dǎo)中傳播的電磁場(chǎng)能量耦合出小部分，利用這耦合出的小信號(hào)來檢測(cè)原毫米波信號(hào)的頻率和相位大小，同時(shí)由于耦合出的信號(hào)能量非常小，因此幾乎對(duì)原毫米波信號(hào)影響不大，原毫米波信號(hào)可以繼續(xù)向后傳播，非常有效的實(shí)現(xiàn)了未知頻率下毫米波信號(hào)的相位檢測(cè)，大大提高了信號(hào)檢測(cè)器的效率，具有較高的潛在應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測(cè)器的俯視圖

圖2為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測(cè)器中單刀雙擲開關(guān)的俯視圖

圖3為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測(cè)器中單刀雙擲開關(guān)AA’方向的剖面圖

圖4為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測(cè)器中Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的俯視圖

圖5為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測(cè)器中直接式熱電式功率傳感器的俯視圖

圖6為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測(cè)器中直接式熱電式功率傳感器AA’方向的剖面圖

圖7為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測(cè)器中直接式熱電式功率傳感器BB’方向的剖面圖

圖中包括：共面波導(dǎo)1，縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-1，縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-2，縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-3，縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-4，移相器3，頻率檢測(cè)模塊4，相位檢測(cè)模塊5，隔離電阻6，非對(duì)稱共面帶線7，空氣橋8，金屬臂9，P型半導(dǎo)體臂10，歐姆接觸11，熱端12，冷端13，隔直電容14，輸出電極15，隔直電容下極板16，Si₃N₄介質(zhì)層17，隔直電容上極板18，襯底膜結(jié)構(gòu)19，高阻Si襯底20，SiO₂層21，一號(hào)單刀雙擲開關(guān)22，二號(hào)單刀雙擲開關(guān)23，開關(guān)梁24，錨區(qū)25，開關(guān)下拉電極板26，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。

具體實(shí)施方案

本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測(cè)器是基于高阻Si襯底20制作的，是由共面波導(dǎo)1、一號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-1、二號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-2、三號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-3、四號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-4、移相器3、一號(hào)單刀雙擲開關(guān)22、二號(hào)單刀雙擲開關(guān)23、一個(gè)Wilkinson功分器、三個(gè)Wilkinson功合器以及五個(gè)直接式熱電式功率傳感器所構(gòu)成。

單刀雙擲開關(guān)22是由共面波導(dǎo)1、錨區(qū)25、Si₃N₄介質(zhì)層17、開關(guān)下拉電極板26和開關(guān)梁24組成的，共面波導(dǎo)1連接到錨區(qū)25上，錨區(qū)25與兩條不同支路上的開關(guān)梁24相連接，其中一條支路連接直接式熱電式功率傳感器，另一條支路連接Wilkinson功合器的輸入端，開關(guān)梁24下方存在著一層空氣間隙，在這個(gè)空氣間隙中安置有開關(guān)下拉電極板26，而在開關(guān)下拉電極板26上還覆蓋著一層Si₃N₄介質(zhì)層17。

Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的結(jié)構(gòu)是相同的，主要由共面波導(dǎo)1、非對(duì)稱共面帶線7和隔離電阻6構(gòu)成，其中兩條長(zhǎng)度相同的非對(duì)稱共面帶線7能夠?qū)⒐裁娌▽?dǎo)1上的毫米波信號(hào)分為相等的兩部分，而隔離電阻6位于兩條非對(duì)稱共面帶線7的末端。

采用直接式熱電式功率傳感器來實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，它主要由共面波導(dǎo)1、金屬臂9、P型半導(dǎo)體臂10以及一個(gè)隔直電容14構(gòu)成，其中金屬臂9和P型半導(dǎo)體臂10構(gòu)成的兩個(gè)熱電偶是并聯(lián)連接的，而共面波導(dǎo)1直接與這兩個(gè)熱電偶的一端相連。

具體結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系如下：第一端口1-1是信號(hào)輸入端，一號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-1和二號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-2位于共面波導(dǎo)1上側(cè)地線，三號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-3和四號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-4則位于共面波導(dǎo)1下側(cè)地線，這兩對(duì)縫隙關(guān)于中心信號(hào)線對(duì)稱，它們之間由一個(gè)移相器3隔開，首先來看頻率檢測(cè)模塊4，一號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-1連接到第二端口1-2，第二端口1-2與一號(hào)單刀雙擲開關(guān)22的輸入端相連，一號(hào)單刀雙擲開關(guān)22的輸出端分別連接到一號(hào)Wilkinson功合器和一號(hào)直接式熱電式功率傳感器，同樣的，二號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-2連接到第三端口1-3，第三端口1-3與二號(hào)單刀雙擲開關(guān)23的輸入端相連，二號(hào)單刀雙擲開關(guān)23的輸出端分別連接到一號(hào)Wilkinson功合器和二號(hào)直接式熱電式功率傳感器，而一號(hào)Wilkinson功合器的輸出端連接到三號(hào)直接式熱電式功率傳感器；再看相位檢測(cè)模塊5，三號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-3與第四端口1-4相連，第四端口1-4連接到二號(hào)Wilkinson功合器，四號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-4與第五端口1-5相連，第五端口1-5連接到三號(hào)Wilkinson功合器，參考信號(hào)通過四號(hào)Wilkinson功分器的輸入端輸入，四號(hào)Wilkinson功分器的輸出端分別連接到二號(hào)Wilkinson功合器和三號(hào)Wilkinson功合器，然后，二號(hào)Wilkinson功合器的輸出端連接四號(hào)直接式熱電式功率傳感器，三號(hào)Wilkinson功合器的輸出端連接五號(hào)直接式熱電式功率傳感器，第六端口1-6處連接著后續(xù)處理電路。

本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測(cè)器的制備方法為：

1)準(zhǔn)備高阻Si襯底20(4000Ω·cm)，厚度為400um；

2)熱氧化生長(zhǎng)一層SiO₂層21，厚度為1.2um；

3)淀積一層多晶硅，P型離子注入(摻雜濃度為10¹⁵cm^-2)，以達(dá)到制作Wilkinson功分器的隔離電阻6和熱電偶金屬臂9的電阻率要求。

4)利用掩模版對(duì)要制作熱電偶P型半導(dǎo)體臂10的地方再次進(jìn)行P型離子注入，達(dá)到P型半導(dǎo)體臂10的電阻率要求；

5)涂覆光刻膠，對(duì)多晶硅層進(jìn)行光刻，最終形成隔離電阻6、熱電偶的金屬臂9和P型半導(dǎo)體臂10；

6)在熱電偶的金屬臂9和P型半導(dǎo)體臂10連接處制作歐姆接觸11；

7)在襯底上涂覆光刻膠，去除傳輸線、隔直電容14、輸出電極15和開關(guān)下拉電極板26處的光刻膠，蒸發(fā)一層種子層Ti，厚度為然后制備第一層金，厚度為0.3um，通過剝離工藝去除保留的光刻膠，連帶去除在光刻膠上面的金屬層，初步形成傳輸線、隔直電容的下極板16、輸出電極15和開關(guān)下拉電極板26；

8)在前面步驟處理得到的Si襯底上，通過PECVD生成一層厚的Si₃N₄介質(zhì)層，光刻Si₃N₄介質(zhì)層，僅保留要制作隔直電容14、空氣橋8和開關(guān)梁24處的Si₃N₄介質(zhì)層17；

9)淀積一層1.6μm厚的聚酰亞胺犧牲層，要求填滿所有凹坑；光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留空氣橋8和開關(guān)梁24下方的聚酰亞胺犧牲層；

10)涂覆光刻膠，去除預(yù)備制作傳輸線、隔直電容14、輸出電極15、空氣橋8和開關(guān)梁24處的光刻膠，蒸發(fā)一層種子層Ti，厚度為制備第二層金，厚度為2um，最后，去除保留的光刻膠，形成傳輸線、隔直電容的上極板18、輸出電極15、空氣橋8和開關(guān)梁24；

11)在襯底的背面涂覆光刻膠，去除預(yù)備在襯底背面形成薄膜結(jié)構(gòu)19地方的光刻膠，在熱電偶中間區(qū)域即熱端12下方刻蝕減薄Si襯底，形成襯底膜結(jié)構(gòu)19，保留約為40μm厚的膜結(jié)構(gòu)；

12)釋放聚酰亞胺犧牲層，以去除空氣橋8和開關(guān)梁24下方的聚酰亞胺犧牲層；最后，在去離子水中浸泡5分鐘，無水乙醇脫水，常溫下?lián)]發(fā)，晾干。

本發(fā)明的不同之處在于：

本發(fā)明采用了新穎的縫隙耦合結(jié)構(gòu)，這種縫隙耦合結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒃诠裁娌▽?dǎo)中傳播的電磁場(chǎng)能量耦合出一部分，從而利用這耦合出的部分小信號(hào)來檢測(cè)原毫米波信號(hào)的頻率和相位大小，從而實(shí)現(xiàn)了未知頻率下的毫米波相位檢測(cè)；功率分配器和功率合成器都采用Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)功率的平分或合成；至于對(duì)合成信號(hào)的檢測(cè)，則采用直接式熱電式功率傳感器來實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換。這些結(jié)構(gòu)不僅簡(jiǎn)化了電路版圖，降低了制作成本，而且大大提高了毫米波信號(hào)的檢測(cè)效率，同時(shí)由于耦合出的信號(hào)能量和原信號(hào)相比非常小，因此幾乎對(duì)原毫米波信號(hào)影響不大，原毫米波信號(hào)可以繼續(xù)向后傳播進(jìn)行后續(xù)的電路處理。

滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測(cè)器。