专利名称：微电子机械微波频率检测器及其制备方法
技术领域：
本发明提出了基于微电子机械系统(MEMS)技术的微波频率检测器，属于 微电子机械系统的技术领域。
背景技术：
在微波研究中，微波频率是表征微波信号特征的一个重要参数，微波频率 的测量在微波无线应用和测量技术中具有非常重要的地位。传统的微波频率检 测器是基于二极管的，它的缺点需要消耗直流功率、测量的信号幅度比较小。 近20多年来，随着MEMS技术的飞速发展，对MEMS固支梁结构进行了深入的研 究，使得采用MEMS技术实现微波频率检测器成为可能。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提供一种基于MEMS技术的微电子机械微波频率 检测器及其制备方法，使得其结构非常简单，可对未知信号进行测量，测量信 号的幅度范围大、不需要消耗直流功率，且便于集成。
技术方案本发明的微电子机械微波频率检测器以砷化镓为衬底，在衬底 上设计有一分三功率分配器、二合一功率合成器、共面波导传输线、固支梁结 构和热耦结构
功率分配器、功率合成器由共面波导(CPW)构成的输入端口、输出端口、不 对称共面带线和氮化钽电阻组成。本发明中使用到一分三功率分配器，如图2 所示，端口一通过不对称共面带线分别接端口二和端口四，通过共面波导结构 接端口三，在与端口二、端口三之间和端口三、端口四之间的连接线中间连接 有氮化钽电阻；本发明中使用的二合一功率合成器，如图3所示，端口一、端 口二通过不对称共面带线分别接端口三，在与端口一和端口二相接的两不对称 共面带线之间连接有氮化钽电阻，从端口一和端口二输入，从端口三输出时为
二合一功率合成器。
对于大信号测量，采用固支梁结构测量；对于小信号采用热耦结构测量。 两种测量选择加大了可测得微波信号范围。
固支梁结构如图4所示，以砷化镓为衬底，在衬底上的中间设计有信号 输入端口，在CPW的信号线两旁分别设有CPW的地线，在CPW的地线上分别设 有桥墩，在桥墩上设有固支梁，在CPW的信号线的两旁分别设有传感电极，传 感电极通过传感电极引线接电容检测端口的一个端，CPW的地线接电容检测端口 的另一个端，在固支梁下方CPW的信号线、CPW的地线和传感电极上表面设有氮 化硅介质层。
热耦结构如图4所示，在共面波导的末端并联两个热阻，两个并联的电 阻吸收输入的信号，通过热耦对将吸收的微波功率的转化为可测的电压差值， 热耦的冷端连接了一块大面积的金属，热耦的冷热段分别连接到两个电压测试 端口上。
待测信号加到一分三功率分配器的端口一，在其端口二、端口三和端口四 处产生了三个新的信号；其中第一被测信号作为参考信号输出到固支梁结构的 信号输入端，以测试未知信号的有效值大小；对于第二被测信号和第三被测信 号，先将第三被测信号接到长度为L的共面波导传输线，然后将该共面波导传 输线的另一端与第二被测信号分别接到二合一功率合成器的端口一和端口二 处，在二合一功率合成器的端口三形成了第二信号，把该第二信号接到固支梁 结构的信号输入端。CPW由CPW的地线和CPW的信号线共同组成。
微波信号通过固定长度的传输线会所产生一个相应的固定相移，当所产生
的相移在0°~180°内时，信号的频率与所产生的相移是一一对应的，利用固支
梁结构或者热耦结构测出这个相移量就可以测出这个信号的频率。
被测微波信号的幅度由第一被测信号测试得到，被测信号通过功率分配器
产生了三个信号，即形成了被测信号一 被测信号三(t/sl t/s3)， C/Sl、 [/52与 f^是完全相同的三个信号，其电压幅度的有效值为被测信号电压有效值的
;。Us2传输到二合一功率合成器的第一端口， t/。通过一段长度为L的传输
线，得到被测信号二《3，它与C^之间存在一个固定的相位差^，这个相位差 就是由长度为L的传输线产生的，将《3接到二合一功率合成器的第二端口。在
二合一功率合成器的第三端口得到一个新信号，称为第二信号，其大小由《3、
C/w及它们之间的相位差决定。R,从功分器的端口二通过CPW线连接到固支梁 结构的共面波导(CPW)，称为第一信号大小仍等于R,。第一信号和第二信号在
通过带有固支梁结构的共面波导时，会产生静电力，从而将固支梁下拉，引起 固支梁与传感电极之间电容发生变化，通过电容检测电路测出电容，其值是分 别与两个信号电压的有效值的平方是一一对应的，这样就得到了第一信号和第
二信号电压有效值的平方这两个数值。由《3、 t^及第二信号组成的三角形的 三边长度都已知了，根据几何知识可知，三角形的形状也就确定下来了，根据 余弦定理和第二信号的有效值和第一信号的有效值成比例关系就可以确定c4
和(^之间的相位差为^。由于^与信号的频率是一一对应的，所以信号的频率
也就可以测量出来。
热耦结构使用共面波导结构导入第一信号和第二信号，在共面波导的末端 并联两个热阻，两个并联的电阻吸收输入的信号，通过热耦对将吸收的微波功 率的转化为可测得电压差值，热耦的冷端连接了一块大面积的金属，热耦的冷 热段分别连接到两个测试端口上，通过测量两条支路上热耦输出电压的值，与
第一信号和第二信号的有效值比例关系可以确定《3和"2之间的相位差为伊， 而^与信号的频率是一一对应的，所以信号的频率也就测量出来了。对于大信
号测量，采用固支梁结构测量；对于小信号采用热耦结构测量。由于所有的设
计采用了阻抗匹配的设计，小信号在通过固支梁结构时损耗很小。两种测量选 择加大了可测微波信号的范围。
微电子机械微波频率检测器的制备方法为
1) 准备砷化镓衬底；选用的是未掺杂的半绝缘砷化镓衬底，
2) 淀积氮化钽，
3) 光刻并刻蚀氮化钽，形成一分三功率分配器和二合一功率合成器的匹配 电阻，即氮化钽电阻，
4) 光刻；去除在一分三功率分配器、二合一功率合成器、共面波导传输线、 传感电极和固支梁结构的桥墩结构处的光刻胶，
5) 溅射金，剥离去除光刻胶；形成一分三功率分配器、二合一功率合成器、
共面波导传输线、传感电极和固支梁结构的桥墩，金的厚度为0.3/zm,
6) 淀积氮化硅介质层；用等离子体增强化学气相淀积法工艺生长1000埃
的氮化硅介质层，
7) 光刻并刻蚀氮化硅介质层；保留固支梁下方CPW的信号线、CPW的地线
和传感电极上的氮化硅，
8) 淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层；在砷化镓衬底上涂覆1.6//m厚的聚酰亚胺
牺牲层，要求填满凹坑，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了固支梁与氮化硅介质层 所在平面之间距离，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留固支梁下的牺牲层，
9) 溅射钛/金/钛；溅射用于电镀一分三功率分配器、二合一功率合成器、 共面波导传输线和固支梁的底金钛/金/钛=500/1500/300埃，
10) 光刻钛/金/钛；去除一分三功率分配器、二合一功率合成器、共面波 导传输线和固支梁以外的光刻胶，
11) 电镀金；电镀金的厚度为2;/w，
12) 去除光刻胶；
13) 反刻金层，腐蚀底金层，形成一分三功率分配器、二合一功率合成器、 共面波导传输线和固支梁，
14) 释放牺牲层；用显影液溶解固支梁结构下方的聚酰亚胺牺牲层，并用 无水乙醇脱水，形成悬浮的固支梁结构。
有益效果:与现有的微波频率检测器相比，这种新型的基于MEMS的技术的
微波频率检测器具有以下显著的优点
1、 可以对未知微波信号进行测量，且待测信号幅值测量参考支路与频率测
量支路传输长度几乎相同，各支路传输线的损耗可以相互抵消；
2、 测量范围广，固支梁结构适于测量大信号，热耦结构适于测量小信号。 而且这种结构是基于MEMS技术的，具有MEMS的基本优点，如体积小、重
量轻、功耗低等。该结构由MEMS结构和微波功率合成及分配器，以及微波传输 线构成，全部是无源器件，不需要消耗直流功率；且与单片微波集成电路(MMIC) 工艺完全兼容，便于集成,这一系列优点是传统的微波频率检测器无法比拟的， 因此它具有很好的研究和应用价值。
图1是微波频率检测器的原理图。
图2是一分三功分器的正面俯视图。
图3是二合一功合器的正面俯视图。
图4是固支梁结构和热耦结构的正面俯视图。
图5微波信号频率与固支梁结构电容检测值的关系图。
图6微波信号频率与热耦结构电压检测值的关系图。
图中包括 一分三功分器端口一l， 一分三功分器端口二2， 一分三功分器 端口三3， 一分三功分器端口四4，不对称共面带线(ACPS)5，端口氮化钜(TaN) 电阻6，功合器端口一7，功合器端口二8，功合器端口三9， CPW的地线IO， CPW的信号线ll，电容检测端口12，传感电极引线穿通膜桥13，固支梁14，传 感电极15,氮化硅(SiN)介质层16，热阻17，热耦对18，增加冷端温度稳定 性的金属块19，热耦电压检测端口20。
具体实施例方式
本发明的微电子机械微波频率检测器是一种微波瞬时频率在线检测器，以 GaAs衬底为衬底，具体实施方案如下
在衬底上设计有一分三功率分配器a、共面波导传输线b、 二合一功率合成 器c、固支梁结构d和热耦结构e:
一分三功率分配器a由共面波导构成的端口一l、端口二2、端口三3、端 口四4、不对称共面带线5和氮化钽电阻6组成，端口一 1通过不对称共面带线 5分别接端口二2和端口三3，通过共面波导结构接端口 4，在与端口二2、端 口四4之间和端口3、端口四4之间相接的带线之间连接有氮化钜电阻6; 二合 一功率合成器c由共面波导构成的端口一7、端口二8、端口三9、不对称共面 带线5和氮化钽电阻6组成，端口一 7和端口二 8通过不对称共面带线5分别
接端口三9，在与端口一 7和端口二 8相接的两不对称共面带线5之间连接有氮 化钽电阻6;固支梁结构d以砷化镓为衬，在衬底上的中间设有CPW的信号线 11，在CPW的信号线ll的两旁分别设有CPW的地线lO，在CPW的信号线11外 的两旁分别设有传感电极15，传感电极15通过传感电极引线通过传感电极引线 穿通膜桥13接电容检测端口 12的一个端，CPW的地线10接电容检测端口 12 的另一个端，在CPW地线中央设有在固支梁14，在固支梁14下方的CPW的信号 线11、传感电极引线穿通膜桥13下的信号传输线和传感电极15表面设有氮化 硅介质层16。热耦结构e由共面波导的末端并联两个热阻l7，贴近热阻的热耦 对18，增加冷端温度稳定性的金属块19组成，热耦的冷热段分别连接到热耦电 压检测端口 20上。
对于未知的待测信号，被测信号通过一分三功率分配器产生了三个信号， 即形成了被测信号一 被测信号三(R, C^)， R,、 ",2与^3是完全相同的
三个信号，其电压幅度的有效值为被测信号电压有效值的+。 ^2传输到二合
一功率合成器的第一端口， [^通过一段长度为L的传输线，得到被测信号二 f4，它与[^之间存在一个固定的相位差p，这个相位差就是由长度为L的传 输线产生的，将t4接到二合一功率合成器的第二端口。在二合一功率合成器的
第三端口得到一个新信号，称为第二信号，其大小由t4、 ^2及它们之间的相
位差决定。C^从功分器的二端口通过CPW线连接到固支梁结构的共面波导 (CPW)，称为第一信号大小仍等于c^。第一信号和第二信号在通过带有固支梁 结构的共面波导(CPW)时，会产生静电力，从而将固支梁下拉，引起固支梁与
传感电极之间电容发生变化，通过电容检测电路测出电容，其值是与信号电压 的有效值的平方是一一对应的，这样就得到了信号电压有效值的平方这个数值。 由于第二信号的有效值和第一信号的有效值成比例关系。由《3、 t/w及第二信
号组成的三角形的三边长度都已知了，根据几何知识可知，三角形的形状也就 确定下来了 ，根据余弦定理和第二信号的有效值和第一信号的有效值成比例关
系就可以确定和t/,2之间的相位差为p 。由于p与信号的频率是一一对应的，
所以信号的频率也就可以测量出来。
热耦结构使用共面波导结构导入第一信号和第二信号，在共面波导的末端 并联两个热阻，两个并联的电阻吸收输入的信号，通过热耦对将吸收的微波功 率的转化为可测得电压差值，热耦的冷端连接了一块大面积的金属，热耦的冷 热段分别连接到两个测试端口上，由于测量两条支路上热耦输出电压的值，与 测量信号的有效值成比例关系，利用余弦定理和第一信号和第二信号的有效值
比例关系可以确定《3和&2之间的相位差为^，而^与信号的频率是一一对应
的，所以信号的频率也就测量出来了。对于大信号测量，采用固支梁结构测量； 对于小信号采用热耦结构测量。由于所有的设计采用了阻抗匹配的设计，小信 号在通过固支梁结构时损耗很小。两种测量选择加大了可测得微波信号范围。
CPW由CPW的地线10和CPW的信号线11共同组成。 微波频率检测器的工艺步骤如下
1) 准备GaAs衬底；选用的是未掺杂的半绝缘砷化镓衬底，
2) 在砷化镓衬底上淀积氮化钽，
3) 光刻并刻蚀TaN，形成一分三功率分配器和二合一功率合成器的匹配电 阻，热阻，
4) 光刻；去除在一分三功率分配器、二合一功率合成器、共面波导、传感 电极和固支梁的桥墩等结构处的光刻胶，
5) 溅射Au,剥离；形成一分三功率分配器、二合一功率合成器、CPW、传
感电极和固支梁的桥墩等结构，Au的厚度为0.3/zm，
6) 淀积SiN介质层；用PEVCD工艺生长1000埃的SiN介质层，
7) 光刻并刻蚀SiN介质层；保留固支梁下方CPW的信号线、CPW的地线和 传感电极上的SiN，传感电极引线穿通膜桥下引线上的SiN，
8) 淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层；在GaAs衬底上涂覆1.6//w厚的聚酰亚胺
牺牲层，要求填满凹坑，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了固支梁与氮化硅介质层 所在平面的距离。光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS膜下的牺牲层，
9) 溅射Ti/Au/Ti;溅射用于电镀一分三功率分配器、二合一功率合成器、 CPW和MEMS膜等结构的底金Ti/Au/Ti =500/1500/300埃，
10) 光刻Ti/Au/Ti;去除一分三功率分配器、二合一功率合成器、共面波
导传输线和固支梁以外的光刻胶，
11) 电镀Au;电镀Au的厚度为2//m，
12) 去除光刻胶，
13)反刻Au层，腐蚀底金层，形成一分三功率分配器、二合一功率合成器、CPW 和MEMS膜等结构，
14)释放牺牲层；用显影液溶解MEMS膜下方的聚酰亚胺牺牲层，并用无 水乙醇脱水，形成悬浮的MEMS膜结构。 区分是否为该结构的标准如下
1、 可以测量幅值未知的微波信号的频率，待测信号分为三条支路传输测量， 并且幅值测量参考支路与频率测量支路传输长度几乎相同，计算频率时各支路 传输线的损耗可以相互抵消，提高了测量的精度；
2、 是采用两种测量结构对有效值进行测量固支梁结构测量大信号，热耦 结构测量小信号。基于固支梁结构的工作原理为，微波信号产生静电力将固支 梁下拉，引起电容的变化，由电容检测电路测出电容，从而推出相位差，再由 相位差反映其频率。基于热耦结构的工作原理为，通过两条支路上热耦输出电 .压的值推出相位差，再由相位差反映其频率。
满足以上条件的结构即视为本发明的微电子机械微波频率检测器。
权利要求
1. 一种微电子机械微波频率检测器，其特征在于该检测器以砷化镓为衬底，在衬底上设有一分三功率分配器(a)、共面波导传输线(b)、二合一功率合成器(c)、固支梁结构(d)和热耦结构(e)一分三功率分配器(a)由共面波导构成的端口一(1)、端口二(2)、端口三(3)、端口四(4)、不对称共面带线(5)和氮化钽电阻(6)组成，端口一(1)通过不对称共面带线(5)分别接端口二(2)和端口三(3)，通过共面波导结构接端口(4)，在与端口二(2)、端口四(4)之间和端口三(3)、端口四(4)之间相接的带线之间连接有氮化钽电阻(6)；二合一功率合成器(c)由共面波导构成的端口一(7)、端口二(8)、端口三(9)、不对称共面带线(5)和氮化钽电阻(6)组成，端口一(7)和端口二(8)通过不对称共面带线(5)分别接端口三(9)，在与端口一(7)和端口二(8)相接的两不对称共面带线(5)之间连接有氮化钽电阻(6)；固支梁结构(d)以砷化镓为衬底，在衬底上的中间设有CPW的信号线(11)，在CPW的信号线(11)的两旁分别设有CPW的地线(10)，在CPW的信号线(11)外的两旁分别设有传感电极(15)，传感电极(15)通过传感电极引线穿通膜桥(13)接电容检测端口(12)的一个端，CPW的地线(10)接电容检测端口(12)的另一个端，在CPW地线(10)中央设有在固支梁(14)，在固支梁14下方的CPW的信号线(11)、传感电极引线穿通膜桥(13)下的信号传输线和传感电极(15)表面设有氮化硅介质层(16)。热耦结构(e)由共面波导的末端并联两个热阻(17)，贴近热阻的热耦对(18)，增加冷端温度稳定性的金属块(19)组成，热耦的冷热段分别连接到热耦电压检测端口(20)上。
2、 一种如权利要求l所述的微电子机械微波频率检测器的制备方法，其特 征在于制备方法为1) 准备砷化镓衬底；选用的是未掺杂的半绝缘砷化镓衬底，2) 在砷化镓衬底上淀积氮化钽，3) 光刻并刻蚀氮化钽，形成一分三功率分配器和二合一功率合成器的匹配 电阻，即氮化钽电阻(6),4)光刻；去除需制作一分三功率分配器(a)、共面波导传输线(b)、 二合 一功率合成器(c)、固支梁的桥墩结构处和热耦结构(e)处的光刻胶，5)溅射金，剥离去除光刻胶；形成一分三功率分配器(a)、 二合一功率 合成器(c)、共面波导传输线(b)、传感电极(15)和固支梁的桥墩，金的厚度为0. 3//m，6) 淀积氮化硅介质层；用等离子体增强化学气相淀积法工艺生长1000埃 的氮化硅介质层(16)，7) 光刻并刻蚀氮化硅介质层；保留固支梁(14)下方CPW的信号线(11)、 CPW的地线(10)和传感电极(15)上的氮化硅(SiN)介质层(16)，8) 淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层；在砷化镓衬底上涂覆1.6//m厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满凹坑，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了固支梁(14)与氮化硅 介质层(16)所在平面之间距离，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留固支梁(14) 下的牺牲层，9) 溅射钛/金/钛；溅射用于电镀一分三功率分配器(a)、 二合一功率合成 器(c)、共面波导传输线(b)、固支梁结构(d)和热耦结构(e)的底金钛/金/ 钛=500/1500/300埃，10) 光刻钛/金/钛；去除一分三功率分配器(a)、 二合一功率合成器(c)、 共面波导传输线(b)、固支梁结构(d)和热耦结构(e)以外的光刻胶，11) 电镀金；电镀金的厚度为2/^，12) 去除光刻胶，13) 反刻金层，腐蚀底金层，形成一分三功率分配器(a)、 二合一功率合 成器(c)、共面波导传输线(b)、固支梁结构(d)和热耦结构(e),14) 释放牺牲层；用显影液溶解固支梁结构下方的聚酰亚胺牺牲层，并用 无水乙醇脱水，形成悬浮的固支梁结构(d)。
全文摘要
微电子机械微波频率检测器及其制备方法是一种结构非常简单，可对未知微波信号进行测量、测量信号的幅度范围大、不需要消耗直流功率，且便于集成的微电子机械微波频率检测器及其制备方法，该检测器以砷化镓为衬底，在衬底上设有一分三功率分配器(a)、共面波导传输线(b)、二合一功率合成器(c)、固支梁结构(d)和热耦结构(e)构成微电子机械微波频率检测器。
文档编号G01R23/00GK101387664SQ20081015533
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月17日 优先权日2008年10月17日
发明者廖小平, 俊 张 申请人:东南大学