硅基悬臂梁耦合间接加热式未知频率毫米波相位检测器

摘要

本发明的硅基悬臂梁耦合间接加热式未知频率毫米波相位检测器，结构由悬臂梁耦合结构、功率分配/合成器、间接加热式微波功率传感器和开关构成。悬臂梁耦合结构上下左右对称，包括两组悬臂梁，每组悬臂梁由两个对称的悬臂梁构成，两个悬臂梁之间CPW传输线的电长度在中心频率35GHz处为λ/4。为实现未知频率毫米波相位的检测，首先进行频率检测，频率检测通过利用间接加热式微波功率传感器测量两路在中心频率35GHz处相位差为90度的耦合信号的合成功率实现；相位检测通过将两路相位差为90度的耦合信号分别同两路等分后的参考信号合成，同样利用间接加热式微波功率传感器检测合成功率，从而获得待测信号的相位。

权利要求

1.一种硅基悬臂梁耦合间接加热式未知频率毫米波相位检测器，其特征是：该相位检测器由悬臂梁耦合结构(17)、功率合成器/分配器、间接加热式微波功率传感器和开关构成；其中，悬臂梁耦合结构(17)上下、左右对称，由CPW中央信号线(3)、传输线地线(4)、悬臂梁(5)、悬臂梁锚区(6)构成，悬臂梁(5)置于CPW中央信号线(3)的上方，在悬臂梁(5)的下方有一层Si3N4介电层(15)覆盖CPW中央信号线(3)；待测信号由悬臂梁耦合结构(17)的第一端口(1-1)输入，从第二端口(1-2)输出到下级电路；上方两个悬臂梁(5)耦合的信号由第三端口(1-3)和第四端口(1-4)输出，第三端口(1-3)与第一开关(18)的第七端口(2-1)相连，第四端口(1-4)与第二开关(19)的第十端口(3-1)相连，第一开关(18)的第八端口(2-2)与第一间接加热式微波功率传感器相连，第一开关(18)的第九端口(2-3)与第一功率合成器的第十三端口(4-1)相连，第二开关(19)的第十一端口(3-2)与第二间接加热式微波功率传感器相连，第二开关(19)的第十二端口(3-3)与第一功率合成器的第十四端口(4-2)相连，最后，第一功率合成器的第十五端口(4-3)接第三间接加热式微波功率传感器；下方两个悬臂梁(5)耦合的信号由第五端口(1-5)和第六端口(1-6)输出，第五端口(1-5)与第二功率合成器的第十九端口(6-1)相连，第六端口(1-6)与第三功率合成器的第二十二端口(7-1)相连，参考信号从功率分配器的第十六端口(5-1)输入，功率分配器的第十七端口(5-2)与第二功率合成器的第二十端口(6-2)相连，第十八端口(5-3)与第三功率合成器的第二十三端口(7-2)相连，第二功率合成器的第二十一端口(6-3)接第四间接加热式微波功率传感器，第三功率合成器的第二十四端口(7-3)接第五间接加热式微波功率传感器。

2.根据权利要求1所述的硅基悬臂梁耦合间接加热式未知频率毫米波相位检测器，其特征是：功率合成器/分配器中的功率分配器和功率合成器结构相同，由CPW中央信号线(3)、传输线地线(4)、ACPS信号线(7)、MIM电容(8)和隔离电阻(9)构成，MIM电容(8)在传输线地线(4)之间，ACPS信号线(7)采用弯折结构，用来减小版图面积，中心频率35GHz处其电长度为八分之一波长。

说明书

硅基悬臂梁耦合间接加热式未知频率毫米波相位检测器

技术领域

[0001] 本发明提出了一种硅基悬臂梁耦合间接加热式未知频率毫米波相位检测器，属于微电子机械系统(MEMS)技术领域。

背景技术

[0002] 在微波技术领域，相位是表征微波信号的一个重要的参数，微波信号相位检测系统在相位调制器、相移键控(PSK)、微波定位、天线相位方向图的测试和近场诊断等方面都有着极其广泛的应用。微波信号相位检测的方法主要有两种：信号分解法和矢量合成法。矢量合成法同信号分解法相比，具有结构原理简单、工作频带宽、无源检测等优点，同时易通过已经成熟的MEMS工艺实现，实现微波信号检测系统的小型化和集成化。

发明内容

[0003] 技术问题:本发明的目的是提供一种硅基悬臂梁耦合间接加热式未知频率毫米波相位检测器，利用悬臂梁耦合结构耦合部分待测信号，分别进行频率检测和相位检测，实现了未知频率毫米波信号的在线式检测，具有结构简单的优点。

[0004] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出了一种硅基悬臂梁耦合间接加热式未知频率毫米波相位检测器。该相位检测器由悬臂梁耦合结构、功率合成器/分配器、间接加热式微波功率传感器和开关构成；其中，悬臂梁耦合结构上下、左右对称，由CPW中央信号线、传输线地线、悬臂梁、悬臂梁锚区构成，悬臂梁置于CPW中央信号线的上方，在悬臂梁的下方有一层Si3N4介电层覆盖中央信号线；待测信号由悬臂梁耦合结构的第一端口输入，从第二端口输出到下级电路；上方两个悬臂梁耦合的信号由第三端口和第四端口输出，第三端口与第一开关的第七端口相连，第四端口与第二开关的第十端口相连，第一开关的第八端口与第一间接加热式微波功率传感器相连，第九端口与第一功率合成器的第十三端口相连，第二开关的第十一端口与第二间接加热式微波功率传感器相连，第十二端口与第一功率合成器的第十四端口相连，第一功率合成器的第十五端口接第三间接加热式微波功率传感器；下方两个悬臂梁耦合的信号由第五端口和第六端口输出，第五端口与第二功率合成器的第十九端口相连，第六端口与第三功率合成器的第二十二端口相连，待测信号从功率分配器的第十六端口输入，功率分配器的第十七端口与第二功率合成器的第二十端口相连，第十八端口与第三功率合成器的第二十三端口相连，第二功率合成器的第二十一端口接第四间接加热式微波功率传感器，第三功率合成器的第二十四端口接第五间接加热式微波功率传感器。

[0005] 功率合成器/分配器中的功率分配器和功率合成器结构相同，由CPW中央信号线、传输线地线、ACPS信号线、MIM电容和隔离电阻构成，MIM电容在传输线地线之间，ACPS信号线采用弯折结构，用来减小版图面积，中心频率35GHz处其电长度为八分之一波长。

[0006] 进行毫米波频率和相位检测时，首先通过第一开关将耦合信号输入到第一间接加热式微波功率传感器和第二间接加热式微波功率传感器，测出耦合信号的功率大小，接着通过开关将两路在中心频率35GHz处相位差为90度的耦合信号输入到第一功率合成器，使用第三间接加热式微波功率传感器检测合成信号功率大小，由耦合信号和合成信号的大小可以推算出毫米波信号的频率；另外两路中心频率35GHz处相位差为90度的耦合信号分别和功率等分后的参考信号合成，由第四间接加热式微波功率传感器和第五间接加热式微波功率传感器检测出两路合成信号功率的大小，联立方程可以求解待测毫米波信号的相位，可实现未知频率毫米波在整个周期范围内相位角的测量。

[0007] 有益效果：本发明相对于现有的相位检测器具有以下优点：

[0008] 1.本发明的相位检测器采用悬臂梁耦合方式，能够实现在线式的相位检测，待测信号经过检测后可以继续输出到下一级使用；

[0009] 2.本发明的相位检测器原理和结构简单，版图面积较小，全部由无源器件组成因而不存在直流功耗；

[0010] 3.兼容COMS工艺，适合批量生产，成本低、可靠性高。

附图说明

[0011] 图1为本发明硅基悬臂梁耦合间接加热式未知频率毫米波相位检测器的结构示意图；

[0012] 图2为本发明悬臂梁耦合结构的A-A’向的剖面图；

[0013] 图3为本发明功率分配/合成器的俯视图；

[0014] 图4为本发明间接加热式微波功率传感器的俯视图；

[0015] 图5为本发明间接加热式微波功率传感器的B-B’向的剖面图；

[0016] 图6为本发明开关的俯视图；

[0017] 图7为本发明开关的C-C’向的剖面图；

[0018] 图中包括：高阻Si衬底1，SiO2层2，CPW中央信号线3，传输线地线4，悬臂梁5，悬臂梁锚区6，ACPS信号线7，MIM电容8，隔离电阻9，终端电阻10，P型半导体臂11，N型半导体臂12，热电堆金属互连线13，输出Pad14，Si3N4介电层15，下拉电极16，悬臂梁耦合结构17，第一开关18，第二开关19，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。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

[0020] 参见图1-7，本发明提出了一种硅基悬臂梁耦合间接加热式毫米波相位检测器。主要包括：悬臂梁耦合结构17、功率分配/合成器、间接加热式微波功率传感器和开关。其中，悬臂梁耦合结构17用于耦合待测信号的部分功率，用于相位检测；功率合成器用于两路信号的合成，功率分配器用于将一路信号等分成两路信号，两者具有相同的结构；间接加热式微波功率传感器用于检测毫米波信号的功率，原理是基于焦耳效应和赛贝克效应；开关用于转换耦合功率检测和频率检测两种状态。

[0021] 悬臂梁耦合结构17由CPW中央信号线3、传输线地线4、悬臂梁5、悬臂梁锚区6构成，上下、左右对称。两组悬臂梁5悬于CPW中央信号线3上方，中间隔有Si3N4介电层15和空气，等效一个双介质层的MIM电容，悬臂梁5末端通过悬臂梁锚区6同耦合分支的CPW中央信号线3相连，每组悬臂梁5包括两个对称设计的悬臂梁5，两组悬臂梁5之间的CPW传输线电长度在中心频率35GHz处为λ/4。通过调整悬臂梁5附近的传输线地线4的形状，改变CPW传输线的阻抗，用于补偿悬臂梁5的引入带来的电容变化。

[0022] 功率分配/合成器由CPW中央信号线3、传输线地线4、ACPS信号线7、MIM电容8和隔离电阻9构成。CPW传输线的特征阻抗为50Ω，ACPS传输线的特征阻抗为70.7Ω，电长度为λ/8，隔离电阻的阻值为100Ω。MIM电容8横跨于两个地线之间，位于CPW中央信号线3上方，介电层为一层Si3N4。传输线采用弯折结构，同时在拐角处进行了补偿，用于减小版图面积。

[0023] 间接加热式微波功率传感器由CPW中央信号线3、传输线地线4、终端电阻10、P型半导体臂11、N型半导体臂12、热电堆金属互连线13、输出Pad14构成。在终端电阻10和热电堆的下方，高阻Si衬底1被刻蚀形成SiO2薄膜结构，用于增大热电堆的输出灵敏度。毫米波信号通过CPW传输到终端电阻10耗散为热，在薄膜上形成一定的温度分布，由于热电堆的冷热两端存在一定的温度差，基于赛贝克效应输出正比于温度差的热电势。

[0024] 开关由CPW中央信号线3、传输线地线4、悬臂梁5、悬臂梁锚区6和下拉电极16构成，下拉电极16上覆盖有一层Si3N4介电层15，未施加直流电压时，两个支路处于断开状态，通过在下拉电极16上施加一定的直流偏置，可实现对应支路的导通，进一步实现耦合功率检测和频率检测两种状态的转换。

[0025] 待测毫米波信号从悬臂梁耦合结构17的第一端口1-1输入，经过CPW传输线，由第二端口1-2进入下一级。位于CPW中央信号线3上方的悬臂梁5会耦合部分功率，由于每组中两个悬臂梁5对称设计，所以耦合的微波功率相等。第三端口1-3和第四端口1-4输出的耦合信号，中心频率f0＝35GHz处相位差为90度，频率f时相位差可表示为：

[0026]

[0027] 两路耦合信号可以分别表示为：

[0028]

[0029]

[0030] 其中，a1和a2分别为两路耦合信号的幅度，ω为输入信号的角频率，为初始相位，通过开关使得耦合信号输入到间接加热式微波功率传感器，可以得到a1和a2的大小。合成信号的功率可表示为：

[0031]

[0032] 为获得合成信号的功率P，通过第一开关18和第二开关19使得两路耦合信号输入到第一功率合成器，并由第三间接加热式微波功率传感器进行功率检测。由(1)和(4)式，信号频率和输出功率的关系可以表示为：

[0033]

[0034] 根据上式关系，可由第一间接加热式微波功率传感器、第二间接加热式微波功率传感器和第三间接加热式微波功率传感器的输出得到待测毫米波信号的频率。

[0035] 进行相位检测时，另外第五端口1-5和第六端口1-6输出的耦合信号分别和功率等分后的参考信号合成，功率等分后的参考信号可以表示为：

[0036] v3＝a3 cos(ωt+φ)  (6)

[0037] 则合成信号的功率大小分别为：

[0038]

[0039]

[0040] P1和P2的大小分别由第四间接加热式微波功率传感器和第五间接加热式微波功率传感器进行检测，根据(7)和(8)所示待测信号相位和合成信号功率的大小的关系，只存在一个未知量，由间接加热式微波功率传感器的输出热电势可以得到待测毫米波信号的相位，可实现未知频率毫米波在整个周期范围内相位角的测量。

[0041] 本发明的硅基悬臂梁耦合间接加热式未知频率毫米波相位检测器的实现结构的制备方法如下：

[0042] 1)准备4英寸高阻Si衬底1，电阻率为4000Ωcm，厚度为400μm；

[0043] 2)热生长一层SiO2层2，厚度为1.2μm；

[0044] 3)化学气相淀积(CVD)生长一层多晶硅，厚度为0.4μm；

[0045] 4)涂覆一层光刻胶并光刻，除多晶硅电阻区域暴露以外，其他区域被光刻胶保护，接着注入磷(P)离子，掺杂浓度为1015 cm-2，形成隔离电阻9和终端电阻10；

[0046] 5)涂覆一层光刻胶，用P+光刻板进行光刻，除P型半导体臂区域暴露以外，其他区域被光刻胶保护，接着注入硼(B)离子，掺杂浓度为1016 cm-2，形成热电偶的P型半导体臂11；

[0047] 6)涂覆一层光刻胶，用N+光刻板进行光刻，除N型半导体臂区域暴露以外，其他区域被光刻胶保护，接着注入磷(P)离子，掺杂浓度为1016 cm-2，形成热电偶的N型半导体臂12；

[0048] 7)涂覆一层光刻胶，光刻热电堆臂和多晶硅电阻图形，再通过干法刻蚀形成热电偶臂和多晶硅电阻；

[0049] 8)涂覆一层光刻胶，光刻去除传输线、热电堆金属互连线13、下拉电极16以及输出Pad14处的光刻胶；

[0050] 9)电子束蒸发形成第一层金(Au)，厚度为0.3μm，去除光刻胶以及光刻胶上的Au，剥离形成传输线的第一层Au、热电堆金属互连线13、下拉电极16以及输出Pad14；

[0051] 10)LPCVD淀积一层Si3N4，厚度为0.1μm；

[0052] 11)涂覆一层光刻胶，光刻并保留MIM电容8和悬臂梁5下方的光刻胶，干法刻蚀Si3N4，形成Si3N4介电层15；

[0053] 12)均匀涂覆一层聚酰亚胺并光刻图形，厚度为2μm，保留悬臂梁5下方的聚酰亚胺作为牺牲层；

[0054] 13)涂覆光刻胶，光刻去除悬臂梁5、悬臂梁锚区6、传输线、MIM电容8以及输出Pad14位置的光刻胶；

[0055] 14)蒸发500/1500/300A°的Ti/Au/Ti的种子层，去除顶部的Ti层后再电镀一层厚度为2μm的Au层；

[0056] 15)去除光刻胶以及光刻胶上的Au，形成悬臂梁5、悬臂梁锚区6、传输线、MIM电容8和输出Pad14；

[0057] 16)深反应离子刻蚀(DRIE)衬底材料背面，制作热电堆下方的薄膜结构；

[0058] 17)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除悬臂梁5下的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。

[0059] 区分是否为该结构的标准如下：

[0060] 本发明的硅基悬臂梁耦合间接加热式未知频率毫米波相位检测器，待测毫米波信号由悬臂梁耦合结构17的第一端口1-1输入，由第二端口1-2输出，位于CPW中央信号线3上方的两组悬臂梁5耦合部分待测毫米波信号，每组悬臂梁5包括两个对称设计的悬臂梁5，两个悬臂梁5耦合的功率相等，其中一个悬臂梁5的耦合信号用于耦合功率和频率检测，两种状态转换通过开关实现，另一个悬臂梁5的耦合信号用于相位检测；首先通过开关使得耦合信号直接输入到间接加热式微波功率传感器检测耦合功率大小，接着通过开关使得两路在中心频率35GHz处相位差为90度的耦合信号进行合成并由间接加热式微波功率传感器检测合成功率，从而推算出待测信号的频率；相位检测时，将两路在中心频率35GHz处相位差为90度的耦合信号，分别同两路等分后的参考信号合成，同样利用间接加热式微波功率传感器检测合成功率，从而获得待测信号的相位。

[0061] 满足以上条件的结构即视为本发明的硅基悬臂梁耦合间接加热式未知频率毫米波相位检测器。