本發(fā)明提出了硅基縫隙耦合式T型結(jié)的直接式毫米波信號檢測儀器，屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

二十一世紀是信息科學技術(shù)的時代，在這個飛速發(fā)展的時代中，信號檢測作為一項重要的科學技術(shù)，已經(jīng)得到了深入的研究，尤其是在當今的軍事、通信以及航空航天等領(lǐng)域，對各種形形色色的信號的檢測是一項非常重要的任務(wù)，一個信號有著三大非常重要的參數(shù)：頻率、相位和功率，按照頻率來劃分可以分為低頻信號、高頻信號和極高頻信號，其中毫米波信號就是一種極高頻的信號，它位于微波和遠紅外波相交疊的區(qū)域，目前對于極高頻的毫米波信號的檢測技術(shù)還不時特別完善，現(xiàn)今的信號檢測器大多只能對信號的頻率、相位以及功率等進行單獨的測量，集成度不是很高，而且它們的結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，有著很多高頻效應(yīng)，由于這些制約因素，毫米波的檢測技術(shù)的范圍并不是很大。

隨著對共面波導(dǎo)縫隙耦合結(jié)構(gòu)、T型結(jié)功分器、T型結(jié)功合器以及直接式熱電式功率傳感器的深入研究，本發(fā)明在高阻Si襯底上設(shè)計了一種將毫米波頻率、相位和功率檢測集成在一起的信號檢測器，這種信號檢測器結(jié)構(gòu)簡單，制作成本較低，解決了當今毫米波頻段信號檢測器的諸多問題，而且通過模數(shù)轉(zhuǎn)換和液晶顯示環(huán)節(jié)對測得的微波參量進行顯示輸出，得到一個完整的微波信號檢測儀器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種硅基縫隙耦合式T型結(jié)的直接式毫米波信號檢測儀器，本發(fā)明采用了共面波導(dǎo)縫隙耦合結(jié)構(gòu)來解決信號頻率檢測、相位檢測和功率檢測的集成化問題，在功率分配和功率合成方面則采用了T型結(jié)功分器和T型結(jié)功合器結(jié)構(gòu)，在功率檢測方面采用了直接式熱電式功率傳感器，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將待測的參量直接顯示在液晶屏幕上，形成一個全面的微波信號檢測儀器，為毫米波信號的檢測打下了堅實牢固的基礎(chǔ)。

技術(shù)方案：本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的直接式毫米波信號檢測儀器主要是由傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、MCS51單片機和液晶顯示四個大模塊組成，這四個大模塊又由一些基礎(chǔ)的小模塊和電路構(gòu)成。

其中傳感器部分是由頻率檢測模塊、相位檢測模塊和功率檢測模塊這三個小模塊構(gòu)成，它們是由共面波導(dǎo)傳輸線、四個尺寸相同的縫隙耦合結(jié)構(gòu)、移相器、兩個尺寸相同的單刀雙擲開關(guān)、一個T型結(jié)功分器、三個T型結(jié)功合器以及六個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：第一端口是信號輸入端，一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)和二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)位于共面波導(dǎo)傳輸線上側(cè)地線，三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)和四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)則位于共面波導(dǎo)傳輸線下側(cè)地線，這兩對縫隙關(guān)于中心信號線對稱，它們之間由一個移相器隔開，首先來看頻率檢測模塊，一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)連接到第二端口，第二端口與一號單刀雙擲開關(guān)的輸入端相連，一號單刀雙擲開關(guān)的輸出端分別連接到一號T型結(jié)功合器和一號直接式熱電式功率傳感器，同樣的，二號縫隙耦合結(jié)連接到第三端口，第三端口與二號單刀雙擲開關(guān)的輸入端相連，二號單刀雙擲開關(guān)的輸出端分別連接到一號T型結(jié)功合器和二號直接式熱電式功率傳感器，而一號T型結(jié)功合器的輸出端連接到三號直接式熱電式功率傳感器；再看相位檢測模塊，三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)與第四端口相連，第四端口連接到二號T型結(jié)功合器，四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)與第五端口相連，第五端口連接到三號T型結(jié)功合器，參考信號通過四號T型結(jié)功分器的輸入端輸入，四號T型結(jié)功分器的輸出端分別連接到二號T型結(jié)功合器和三號T型結(jié)功合器，然后，二號T型結(jié)功合器的輸出端連接四號直接式熱電式功率傳感器，三號T型結(jié)功合器的輸出端連接五號直接式熱電式功率傳感器，最后是功率檢測模塊，在第六端口處連接著六號直接式熱電式功率傳感器。

首先，對于毫米波的頻率檢測模塊，它主要是由共面波導(dǎo)上方的兩個縫隙耦合結(jié)構(gòu)、一段移相器、兩個單刀雙擲開關(guān)、一個T型結(jié)功合器以及一個直接式熱電式功率傳感器所構(gòu)成，毫米波信號首先經(jīng)過第一個縫隙耦合結(jié)構(gòu)耦合出小部分的信號P₁(對應(yīng)電壓為V₁)，然后經(jīng)過一段移相器之后再由另一個縫隙耦合結(jié)構(gòu)耦合出部分的信號P₂(對應(yīng)電壓為V₂)，這樣兩個耦合信號之間就產(chǎn)生了一定的相位差實際上這段移相器就是一段共面波導(dǎo)傳輸線，它的長度設(shè)置為以中心頻率f₀為35GHz處波長的1/4，此時相位差就是90°，但是當頻率f變化時，相位差是頻率f的函數(shù)：

其中f為毫米波信號的頻率，c為光速，ε_er為傳輸線的相對介電常數(shù)，ΔL為移相器的長度，因此只要測出的值，就能得到頻率f的大小。于是將兩個耦合信號P₁、P₂經(jīng)過T型結(jié)功合器進行合成，再用直接式功率傳感器去檢測合成信號功率P_s的大小，合成信號的功率P_s(對應(yīng)電壓為V_s)是關(guān)于相位差的三角函數(shù)關(guān)系：

由于耦合信號P₁、P₂的大小未知，因此這里采用了兩個單刀雙擲開關(guān)將兩個耦合出來的小信號率先進行功率檢測，得到其功率大小，然后再通過T型結(jié)功合器進行功率合成，于是由公式(2)就能計算出頻率f的大小。注意這里的相位差只是兩個耦合小信號之間的相位差，并不是原毫米波信號的相位Φ，還需要通過相位檢測模塊來精確確定原毫米波信號的相位Φ。

對于毫米波的相位檢測模塊，同樣地也是由兩個縫隙耦合結(jié)構(gòu)耦合出部分小信號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得的耦合小信號P₁和P₂，它們的初始相位都為Φ，只是其中第二個縫隙耦合信號多傳播了相位參考信號P_c(對應(yīng)電壓為V_c)經(jīng)過T型結(jié)功分器分解成左右兩路一模一樣的信號，左邊一路信號與第一個縫隙耦合信號進行功率合成，得到合成功率P_L(對應(yīng)電壓為V_L)，它是關(guān)于相位Φ的三角函數(shù)關(guān)系；而右邊一路信號與第二個縫隙耦合信號進行功率合成，得到合成功率P_R(對應(yīng)電壓為V_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，實現(xiàn)了-180°～+180°的相位檢測。

最后的毫米波功率檢測模塊是用直接式的熱電式功率檢測器來檢測原毫米波信號的功率大小的，它主要是由共面波導(dǎo)傳輸線、兩個熱電偶和一個隔直電容所構(gòu)成，其中每個熱電偶是由一個金屬臂和一個半導(dǎo)體臂串聯(lián)組成，因為金屬臂實際上就是作為該熱電式功率檢測器的終端電阻，所以這種直接式的熱電式功率傳感器是一種自加熱型功率傳感器，它的兩個熱電偶直接與信號線相連，熱電偶的中間區(qū)域作為熱端，兩邊邊緣區(qū)域作為冷端，這樣當毫米波信號的能量被金屬臂吸收后，根據(jù)seebeck效應(yīng)就能測出熱電勢，需要注意的是在熱電偶的中間區(qū)域即熱端處會將襯底減薄，這樣熱能就不會從襯底耗散掉，增大了熱端與冷端的溫差，從而也提高了熱電轉(zhuǎn)換效率。原毫米波信號的功率大小P可以由下式表達：

由于間接式熱電式功率檢測器輸出的是模擬電壓，并不是功率大小，因此公式(1)、(2)、(3)中出現(xiàn)的功率P₁、P₂、P₃、P₄、P_L、P_R、P_C、P_S都需要經(jīng)過公式(4)將電壓V₁、V₂、V₃、V₄、V_L、V_R、V_C、V_S進行計算才能得到。由于縫隙耦合信號實際上比原信號小得多，因此絕大部分的信號還是能繼續(xù)傳播并被直接式熱電式功率傳感器接收，信號的利用率大大提高了。

第二個大模塊是模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，它的主要作用是將傳感器三個小模塊中輸出的功率直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這個部分主要是由STM32微處理器及由AD620芯片組成的外圍電路所構(gòu)成，則根據(jù)公式(1)、(2)、(3)、(4)，可以反推出相應(yīng)的頻率f、相位Φ和功率P的大小：

然后是MCS51單片機部分，它的主要作用就是對各個電壓值進行公式計算得到需要的頻率f、相位Φ和功率P的數(shù)值。

最后就是液晶顯示部分，它的主要作用就是將得到的數(shù)字信號直接進行顯示輸出，得出待測信號的頻率f、相位Φ和功率P的讀數(shù)。

有益效果：在本發(fā)明中，采用了簡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)中傳播的電磁場能量耦合出小部分，利用這耦合出的小信號來檢測原毫米波信號的頻率和相位大小，這樣就很好的解決了毫米波信號的頻率、相位和功率檢測的集成化，同時由于耦合出的信號能量非常小，因此幾乎對原毫米波信號影響不大，原毫米波信號可以繼續(xù)向后傳播進行功率測量，該毫米波信號檢測儀器采用了結(jié)構(gòu)簡單新穎的縫隙耦合結(jié)構(gòu)，將頻率、相位和功率檢測集成到了一起，大大提高了信號檢測器的效率，同時將模擬輸出信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換直接輸出在液晶屏幕上，構(gòu)成完整的微波信號檢測儀器，具有較高的潛在應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的直接式毫米波信號檢測儀器的總框圖

圖2為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的直接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的俯視圖

圖3為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的直接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的單刀雙擲開關(guān)的俯視圖

圖4為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的直接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的單刀雙擲開關(guān)AA’方向的剖面圖

圖5為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的直接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的T型結(jié)功分器和T型結(jié)功合器的俯視圖

圖6為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的直接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的直接式熱電式功率傳感器的俯視圖

圖7為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的直接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的直接式熱電式功率傳感器AA'方向的剖面圖

圖8為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的直接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的直接式熱電式功率傳感器BB'方向的剖面圖

圖9為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的直接式毫米波信號檢測儀器中模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路圖

圖中包括：頻率檢測模塊1，相位檢測模塊2，功率檢測模塊3，共面波導(dǎo)傳輸線4，縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-1，縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-2，縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-3，縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-4，移相器6，高阻Si襯底7，二氧化硅層8，扇形缺陷結(jié)構(gòu)9，空氣橋10，金屬臂11，半導(dǎo)體臂12，歐姆接觸13，熱端14，冷端15，輸出電極16，隔直電容17，隔直電容下極板18，Si₃N₄介質(zhì)層19，隔直電容上極板20，襯底膜結(jié)構(gòu)21，一號單刀雙擲開關(guān)22，二號單刀雙擲開關(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。

具體實施方案

本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的直接式毫米波信號檢測儀器中傳感器部分是基于高阻Si襯底7制作的，它是由共面波導(dǎo)傳輸線4、一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-1、二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-2、三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-3、四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-4、移相器6、一號單刀雙擲開關(guān)22、二號單刀雙擲開關(guān)23、一個T型結(jié)功分器、三個T型結(jié)功合器以及六個直接式熱電式功率傳感器所構(gòu)成。

T型結(jié)功分器和T型結(jié)功合器的結(jié)構(gòu)是相同的，主要由共面波導(dǎo)傳輸線4、兩個扇形缺陷結(jié)構(gòu)9和三個空氣橋10構(gòu)成，扇形缺陷結(jié)構(gòu)9是位于兩個輸入端口處的扇形形狀的缺陷地結(jié)構(gòu)，而空氣橋10是位于中心信號線上方的梁結(jié)構(gòu)。

采用直接式熱電式功率傳感器來實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，它主要是由共面波導(dǎo)傳輸線4、兩個熱電偶和一個隔直電容17所構(gòu)成，其中每個熱電偶是由金屬臂11和半導(dǎo)體臂12串聯(lián)組成，因為金屬臂11實際上就是作為該熱電式功率檢測器的終端電阻，所以這種直接式的熱電式功率傳感器是一種自加熱型功率傳感器，它的兩個熱電偶直接與信號線相連，熱電偶的中間區(qū)域作為熱端，兩邊邊緣區(qū)域作為冷端，這樣當毫米波信號的能量被金屬臂11吸收后，根據(jù)seebeck效應(yīng)就能測出熱電勢，需要注意的是在熱電偶的中間區(qū)域即熱端處會將襯底減薄，這樣熱能就不會從襯底耗散掉，增大了熱端與冷端的溫差，從而也提高了熱電轉(zhuǎn)換效率。

具體結(jié)構(gòu)方案如下：第一端口1-1是信號輸入端，一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-1和二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-2位于共面波導(dǎo)傳輸線4上側(cè)地線，三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-3和四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-4則位于共面波導(dǎo)傳輸線4下側(cè)地線，這兩對縫隙關(guān)于中心信號線對稱，它們之間由一個移相器6隔開，首先來看頻率檢測模塊1，一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-1連接到第二端口1-2，第二端口1-2與一號單刀雙擲開關(guān)22的輸入端相連，一號單刀雙擲開關(guān)22的輸出端分別連接到一號T型結(jié)功合器和一號直接式熱電式功率傳感器，同樣的，二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-2連接到第三端口1-3，第三端口1-3與二號單刀雙擲開關(guān)23的輸入端相連，二號單刀雙擲開關(guān)23的輸出端分別連接到一號T型結(jié)功合器和二號直接式熱電式功率傳感器，而一號T型結(jié)功合器的輸出端連接到三號直接式熱電式功率傳感器；再看相位檢測模塊2，三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-3與第四端口1-4相連，第四端口1-4連接到二號T型結(jié)功合器，四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-4與第五端口1-5相連，第五端口1-5連接到三號T型結(jié)功合器，參考信號通過四號T型結(jié)功分器的輸入端輸入，四號T型結(jié)功分器的輸出端分別連接到二號T型結(jié)功合器和三號T型結(jié)功合器，然后，二號T型結(jié)功合器的輸出端連接四號直接式熱電式功率傳感器，三號T型結(jié)功合器的輸出端連接五號直接式熱電式功率傳感器，最后是功率檢測模塊3，在第六端口1-6處連接著六號直接式熱電式功率傳感器。在每個直接式熱電式功率傳感器之后都連接著模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，然后將這些模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號都接入MCS51單片機進行公式計算，最后通過液晶顯示屏顯示輸出頻率、相位和功率的數(shù)值大小。

本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的直接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的制備方法為：

1)準備高阻Si襯底7(4000Ω·cm)，厚度為400um；

2)熱氧化生長一層SiO₂層8，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)，以達到制作熱電偶金屬臂11的電阻率要求。

4)利用掩模版對要制作熱電偶P型半導(dǎo)體臂12的地方再次進行P型離子注入，達到P型半導(dǎo)體臂12的電阻率要求；

5)涂覆光刻膠，對多晶硅層進行光刻，最終形成熱電偶的金屬臂11和P型半導(dǎo)體臂12；

6)在熱電偶的金屬臂11和P型半導(dǎo)體臂12連接處制作歐姆接觸13；

7)在襯底上涂覆光刻膠，去除傳輸線、隔直電容17、輸出電極16和開關(guān)下拉電極板25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18、輸出電極16和開關(guān)下拉電極板25；

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17、空氣橋10和開關(guān)梁23處的Si₃N₄介質(zhì)層19；

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10和開關(guān)梁23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17、輸出電極16、空氣橋10和開關(guān)梁23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20、輸出電極16、空氣橋10和開關(guān)梁23；

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)21地方的光刻膠，在熱電偶中間區(qū)域即熱端13下方刻蝕減薄Si襯底，形成襯底膜結(jié)構(gòu)21，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10和開關(guān)梁23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)中傳播的電磁場能量耦合出一部分，從而利用這耦合出的部分小信號來檢測原毫米波信號的頻率和相位大小；功率分配器和功率合成器采用T型結(jié)功分器和T型結(jié)功合器的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)功率的平分或合成；至于功率檢測器，則采用直接式熱電式功率傳感器來實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換。這些結(jié)構(gòu)簡單有效，降低了制作成本，同時還提高了毫米波信號的檢測效率，實現(xiàn)了毫米波信號的頻率、相位以及功率實現(xiàn)一體化檢測，此外同時將模擬輸出信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換直接輸出在液晶屏幕上，構(gòu)成了一個完整的微波信號檢測儀器。

滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的直接式毫米波信號檢測儀器。