固支梁直接加热在线式已知频率微波相位检测器的制作方法

本发明提出了固支梁直接加热在线式已知频率微波相位检测器，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术：

微波信号的相位检测在相位调制器、相移键控(PSK)、锁相环(PLL)、天线相位方向图的测试、测量各种微波器件的相位特性等等方面都有极其广泛的应用。因此在微波频段掌握并控制信号的相位是很有必要的，微波信号的相位也就成了一个重要的测量参数。本发明即是基于Si工艺设计一种实现在线式相位检测的固支梁直接加热在线式已知频率微波相位检测器。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提供固支梁直接加热在线式已知频率微波相位检测器，应用六端口固支梁耦合器来耦合小部分信号进行相位检测，而大部分检测信号可以输入到下一级处理电路中，实现对已知频率信号的0-360°相位在线检测，且具有低功耗的益处。

技术方案：本发明的固支梁直接加热在线式已知频率微波相位检测器由六端口固支梁耦合器、微波相位检测器、第一直接加热式微波功率传感器和第二直接加热式微波功率传感器组成；

六端口固支梁耦合器的第一端口到第三端口、第四端口以及到第一端口到第五端口、第六端口的功率耦合度分别相同，待测信号经六端口固支梁耦合器的第一端口输入，由第三端口和第五端口输出到第一直接加热式微波功率传感器，由第四端口和第六端口输出到微波相位检测器中的第一Wilkinson功率合成器和第二Wilkinson功率合成器，由第二端口输出到下级处理电路；Wilkinson功率分配器的输入端接参考信号输入，Wilkinson功率分配器的输出端口分别接第一Wilkinson功率合成器和第二Wilkinson功率合成器，并由第一Wilkinson功率合成器和第二Wilkinson功率合成器分别输出到第三直接加热式微波功率传感器和第四直接加热式微波功率传感器；

其中，六端口固支梁耦合器的结构以其中心线左右对称设置，由共面波导，介质层，空气层和固支梁构成；共面波导制作在SiO₂层上，SiO₂层制作在Si衬底上，固支梁的锚区制作在共面波导上，固支梁的下方沉积介质层，并与空气层、固支梁共同构成耦合电容结构，两个固支梁之间的共面波导长度为λ/4。

有益效果：

1)本发明的固支梁直接加热在线式已知频率微波相位检测器将微波信号的相位、频率测模块集成到一起，应用六端口固支梁耦合器来耦合小部分信号进行频率检测和相位检测，而大部分信号可以输入到下一级处理电路中，实现对已知频率信号的0-360°相位在线检测。

2)本发明的固支梁直接加热在线式已知频率微波相位检测器采用直接加热式微波功率传感器检测微波信号的功率，具有较高的灵敏度且无直流功耗；

3)本发明中的微波相位检测模块采用两个Wilkinson功率合成器，一个Wilkinson功率分配器和两个直接加热式微波功率传感器实现0-360°的相位检测。

附图说明

图1为本发明固支梁直接加热在线式已知频率微波相位检测器原理框图

图2为六端口固支梁耦合器的俯视图

图3为图2六端口固支梁耦合器的AA’方向剖面图

图4为Wilkinson功率分配/合成器的俯视图

图5为直接加热式微波功率传感器的俯视图

图6为图5直接加热式微波功率传感器的AA’方向剖面图

图7为图5直接加热式微波功率传感器的BB’方向剖面图

图中包括：六端口固支梁耦合器1，微波相位检测器2，第一直接加热式微波功率传感器3-1，第二直接加热式微波功率传感器3-2，第三直接加热式微波功率传感器3-3，第四直接加热式微波功率传感器3-4，第一Wilkinson功率合成器4-1，第二Wilkinson功率合成器4-2，Wilkinson功率分配器5，Si衬底6，SiO₂层7，共面波导8，锚区9，介质层10，固支梁11，空气层12，空气桥13，非对称共面带线14，隔离电阻15，隔直电容上极板16，输出电极17，半导体臂18，金属臂19，热端20，冷端21，隔直电容下极板22，衬底薄膜结构23，终端电阻24，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4-1，第八端口4-2，第九端口4-3。

具体实施方式

本发明固支梁直接加热在线式已知频率微波相位检测器由六端口固支梁耦合器1、微波相位检测器2、第一直接加热式微波功率传感器3-1和第二直接加热式微波功率传感器3-2级联构成；

六端口固支梁耦合器1的第一端口1-1到第三端口1-3、第四端口1-4及第一端口1-1到第五端口1-5、第六端口1-6的功率耦合度分别相同，待测信号经六端口固支梁耦合器1的第一端口1-1输入，由第三端口1-3和第五端口1-5输出到第一直接加热式微波功率传感器3-1和第二直接加热式微波功率传感器3-2，由第四端口1-4和第六端口1-6输出到微波相位检测器2，由第二端口1-2输出到下级处理电路，实现了对已知频率信号的相位检测，且检测后的信号可以用于其他处理电路。

微波相位检测器2由第三直接加热式微波功率传感器3-3，第四直接加热式微波功率传感器3-4，第一Wilkinson功率合成器4-1，第二Wilkinson功率合成器4-2，Wilkinson功率分配器5构成；第一Wilkinson功率合成器4-1，第二Wilkinson功率合成器4-2，和Wilkinson功率分配器5的拓扑结构相同，由共面波导8、非对称共面带线14和空气桥13、隔离电阻15构成，信号从第七端口4-1输入时为Wilkinson功率分配器5，信号从第八端口4-2，第九端口4-3输入时为第一Wilkinson功率合成器4-1或第二Wilkinson功率合成器4-2；第一Wilkinson功率合成器4-1，第二Wilkinson功率合成器4-2由Si衬底6，SiO₂层7，共面波导8，终端电阻16，P型半导体臂17，N型半导体臂18，输出电极19构成。其直接加热式微波功率传感器和微波相位的检测原理可以解释如下：

直接加热式微波功率传感器：如图5所示微波功率从输入端口输入，通过共面波导8输入到终端电阻24消耗转化成热量；半导体臂18和金属臂19构成热电偶，热电偶的中间区域作为热端20，热电偶的边缘区域作为冷端21；根据Seebeck效应，通过测量输出电极17的热电势可知输入微波功率大小；隔直电容上极板16，隔直电容下极板22及介质层10构成隔直电容来防止输出电极17短路；热电偶的热端20背部将衬底减薄构成衬底薄膜结构23以提高检测灵敏度。

相位检测器：如图1所示微波信号经六端口固支梁耦合器1的第三端口1-3和第五端口1-5分别输入到第一直接加热式微波功率传感器3-1和第二直接加热式微波功率传感器3-2进行耦合功率检测，微波信号经六端口固支梁耦合器1的第四端口1-4和第六端口1-6输入到微波相位检测器2进行相位检测；六端口固支梁耦合器1的两个固支梁11之间的共面波导8长度为λ/4，此时通过第四端口1-4和第六端口1-6的两路微波信号相位差为90°；输入功率已知为P_r，与待测信号频率相同f(频率已知)的参考信号，参考信号经Wilkinson功率分配器5分成两路功率和相位相同的信号与第四端口1-4和第六端口1-6的两路待测信号分别经第一Wilkinson功率合成器4-1和第二Wilkinson功率合成器4-2进行功率合成；第三直接加热式微波功率传感器3-3和第四直接加热式微波功率传感器3-4对左右两路合成后的功率P_cs1，P_cs2进行检测，并通过公式(3)得出待测信号与参考信号之间的相位差

P₄，P₆为端口4与端口6耦合的功率，并且P₄＝P₃，P₄＝P₃。

固支梁直接加热在线式已知频率微波相位检测器的制备方法包括以下几个步骤：

1)准备4英寸高阻Si衬底6，电阻率为4000Ω·cm，厚度为400mm；

2)热生长一层厚度为1.2mm的SiO₂层7；

3)化学气相淀积(CVD)生长一层多晶硅，厚度为0.4mm；

4)涂覆光刻胶并光刻，除多晶硅电阻区域以外，其他区域被光刻胶保护，并注入磷(P)离子，掺杂浓度为10¹⁵cm^-2，形成隔离电阻15和终端电阻24；

5)涂覆一层光刻胶，光刻多晶硅电阻图形涂覆一层光刻胶，光刻多晶硅电阻图形，再通过干法刻蚀形成隔离电阻15终端电阻24和半导体臂18；

6)涂覆一层光刻胶，光刻去除共面波导8、非对称共面带线14、金属互连线以及输出电极17处的光刻胶；

7)电子束蒸发(EBE)形成第一层金(Au)，厚度为0.3mm，去除光刻胶以及光刻胶上的Au，剥离形成共面波导和非对称共面带线的第一层Au、热电堆金属互连线，隔直电容下极板22以及输出电极17；

8)淀积(LPCVD)一层Si₃N₄，厚度为0.1mm；

9)涂覆一层光刻胶，光刻并保留隔直电容，固支梁11下方的光刻胶，干法刻蚀Si₃N₄，形成介质层10；

10)均匀涂覆一层空气层12并光刻图形，厚度为2mm，保留固支梁11下方的聚酰亚胺作为牺牲层；

11)涂覆光刻胶，光刻去除固支梁12、锚区9、共面波导8、非对称共面带线14、隔直电容上极板16以及输出电极17位置的光刻胶；

12)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2mm的Au层；

13)去除光刻胶以及光刻胶上的Au，形成固支梁12、锚区9、共面波导8、非对称共面带线14、隔直电容上极板16和输出电极17；

14)深反应离子刻蚀(DRIE)衬底材料背面，制作薄膜结构21；

15)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除固支梁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。

本发明与现有技术的区别在于：

本发明采用了新颖的六端口固支梁耦合结构，其中六端口固支梁耦合器的第一端口到第三端口、第四端口以及第一端口到第五端口、第六端口的功率耦合度相同；这种固支梁耦合结构从共面波导传输的微波信号中耦合出小部分的信号来检测微波信号的相位大小，而大部分信号可以输入到下一级处理电路中；采用Wilkinson实现对微波信号的功率合成与分配，避免了传统Wilkinson功率分配器中隔离电阻的加工对微波性能的影响；采用直接加热式微波功率传感器来检测信号的微波功率，具有较高的灵敏度且无直流功耗；本发明的固支梁直接加热在线式已知频率微波相位检测器，实现了对已知频率信号的0-360°相位在线检测。

满足以上条件的结构即视为本发明的固支梁直接加热在线式已知频率微波相位检测器。