缝隙T形结在线式微波相位检测器的制作方法

本发明提出了缝隙T形结在线式微波相位检测器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。

背景技术：

微波信号相位测量在微波测量中占有十分重要的地位。随着频率的增加，信号的波长与电路中各种元器件尺寸逐步接近，电路中电压、电流都以波的形式存在，信号的相位延迟使得电路中不仅不同位置处的电压、电流在同一时刻振幅各不相同，而且同一位置处的电压、电流在不同时刻也各不相同。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。

为了解决上述微波相位检测器的问题，本发明在高阻硅衬底上设计了缝隙T形结在线式微波相位检测器。它利用了缝隙结构来实现相位检测，结构简单，便于实现，同时提高了系统的集成度，能够实现在线式检测，效率较高。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提出一种缝隙T形结在线式微波相位检测器，本发明采用了缝隙结构耦合微波信号，在微波信号的功率检测方面采用间接热电式微波功率传感器，在微波信号合成方面采用T形结，在微波相位检测方面采用矢量合成法，从而实现了在线式微波相位的检测。

技术方案：本发明的缝隙T形结在线式微波相位检测器是由共面波导传输线、两个关于共面波导传输线的信号线对称的缝隙结构、T形结以及两个间接热电式微波功率传感器所构成的，如附图1所示。微波的相位检测采用的是矢量合成法，将参考信号和待测信号采用T形结矢量合成后由余弦函数式计算出微波信号的相位。

两个缝隙结构位于共面波导传输线的信号线两侧并关于其对称，其作用是耦合共面波导传输线的信号线上传输的微波信号，用于在线检测微波相位。

T形结由第一空气桥、第二空气桥、第三空气桥、第一共面波导传输线的信号线、第二共面波导传输线的信号线、第三共面波导传输线的信号线构成，为三端口器件，可用于功率合成，无需隔离电阻，其中第一空气桥、第二空气桥、第三空气桥用于共面波导传输线的地线之间的互连，同时为了方便这三个空气桥的释放，在其上制作了一组小孔阵列。

间接热电式微波功率传感器包括金属热偶臂、半导体热偶臂、欧姆接触区、终端电阻、直流输出块以及共面波导传输线的信号线，其作用是基于塞贝克效应对微波信号的功率大小进行检测。

有益效果：本发明是缝隙T形结在线式微波相位检测器，微波相位检测器采用了缝隙结构，这种结构能将小部分的微波信号耦合出来，并利用这部分耦合信号来实现微波相位的在线式检测，而大部分的信号能够继续在共面波导传输线上传播并进行后续信号处理。

附图说明

图1为本发明的缝隙T形结在线式微波相位检测器俯视图；

图2为图1缝隙T形结在线式微波相位检测器的A-A’剖面图；

图3为图1缝隙T形结在线式微波相位检测器的B-B’剖面图；

图中包括：高阻硅衬底1，共面波导传输线的信号线2、地线3，缝隙结构4，缝隙结构5，T形结的第一空气桥6、第二空气桥7、第三空气桥8、第一共面波导传输线的信号线9、第二共面波导传输线的信号线10、第三共面波导传输线的信号线11，间接热电式微波功率传感器1的金属热偶臂12、半导体热偶臂13、欧姆接触区14、终端电阻15、直流输出块16、共面波导传输线的信号线17，间接热电式微波功率传感器2的金属热偶臂18、半导体热偶臂19、欧姆接触区20、终端电阻21、直流输出块22，SiO₂层23。在高阻硅衬底1上制备一层SiO₂层23，在SiO₂层11上设有共面波导传输线、缝隙结构4和缝隙结构5、T形结以及间接热电式微波功率传感器1和间接热电式微波功率传感器2。

具体实施方式

本发明的缝隙T形结在线式微波相位检测器是由共面波导传输线、两个关于共面波导传输线的信号线2对称的缝隙结构4和缝隙结构5、T形结以及间接热电式微波功率传感器1和间接热电式微波功率传感器2所构成的，如附图1所示。采用缝隙结构耦合共面波导传输线上的微波信号，采用T形结进行功率合成，采用间接热电式微波功率传感器检测微波信号的功率，采用矢量合成法进行微波信号的相位检测，将参考信号和该信号采用T形结合成后由余弦函数式计算出微波信号的相位。

共面波导传输线由共面波导传输线的信号线2和地线3构成，在共面波导传输线的信号线2两侧对称分别设有一个缝隙结构4和缝隙结构5，共面波导传输线的信号线2上侧的缝隙结构4耦合的微波信号由间接热电式微波功率传感器1的共面波导传输线的信号线17传输向间接热电式微波功率传感器1，由于缝隙结构4和缝隙结构5关于共面波导传输线的信号线2对称，故其耦合的信号大小相位等完全相同。下侧的缝隙结构5耦合的微波信号由T形结的第一共面波导传输线的信号线9连接T形结的一个输入端，T形结的另一个输入端通过T形结的第二共面波导传输线的信号线10连接参考信号输入端口，T型结的输入端口通过T形结的第三共面波导传输线的信号线11连接间接热电式微波功率传感器2。

T形结由第一空气桥6、第二空气桥7、第三空气桥8、第一共面波导传输线的信号线9、第二共面波导传输线的信号线10、第三共面波导传输线的信号线11构成，为三端口器件，可用于功率合成，无需隔离电阻，其中第一空气桥6、第二空气桥7、第三空气桥8用于共面波导传输线的地线3之间的互连，同时为了方便这三个空气桥的释放，在其上制作了一组小孔阵列。

间接热电式微波功率传感器1包括金属热偶臂12、半导体热偶臂13、欧姆接触区14、终端电阻15、直流输出块16以及共面波导传输线的信号线17；所述的间接热电式微波功率传感器2包括金属热偶臂18、半导体热偶臂19、欧姆接触区20、终端电阻21以及直流输出块22。

本发明提供了一种缝隙T形结在线式微波相位检测器，当微波信号在共面波导传输线上传输时，共面波导传输线的信号线2两侧对称的缝隙结构4和缝隙结构5能够耦合出小部分信号，这部分被耦合出的信号拥有与该信号相同的相位。共面波导传输线的信号线2上侧的缝隙结构4将耦合出的微波信号由间接热电式微波功率传感器1的共面波导传输线的信号线17传输向间接热电式微波功率传感器1，基于塞贝克效应以直流输出电压V₁的形式输出检测结果，可推算出该耦合信号的功率P₁。由对称性可知，下侧的缝隙结构5耦合出的信号功率也是P₁。由T形结将功率为P₂、对应直流输入电压为V₂的参考信号和功率为P₁、对应直流输出电压为V₁的下侧缝隙结构耦合出的信号进行功率矢量合成，合成后的信号利用间接热电式微波功率传感器2检测得到直流输出电压V₃，可推算出该合成功率为P₃。它们之间满足关于的余弦函数式：

其中是待测信号和参考信号的相位差。基于公式(1)最终可以推导出:

同时，由于缝隙结构耦合出来的信号功率很小，大部分的信号能够继续通过共面波导传输线向后传播并进行后续的信号处理，从而实现了在线式微波相位的检测。

本发明的缝隙T形结在线式微波相位检测器的制备方法为：

1)准备4英寸高阻Si衬底，电阻率为4000Ω·cm，厚度为400mm；

2)热生长一层厚度为1.2mm的SiO₂层；

3)化学气相淀积(CVD)生长一层多晶硅，厚度为0.4mm；

4)光刻并隔离外延的N⁺高阻硅，形成热电堆的半导体热偶臂的图形和欧姆接触区；

5)反刻N⁺高阻硅，形成其掺杂浓度为10¹⁷cm^-3的热电堆的半导体热偶臂；

6)光刻：去除将要保留金锗镍/金地方的光刻胶；

7)剥离，形成热电堆的金属热偶臂；

8)光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；

9)溅射氮化钽，其厚度为1μm；

10)剥离；

11)涂覆一层光刻胶，光刻去除共面波导传输线、热电堆金属互连线以及输出电极处的光刻胶；

12)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，剥离形成共面波导传输线、热电堆金属互连线以及输出电极；

13)反刻氮化钽，形成终端电阻；

14)均匀涂覆一层聚酰亚胺并光刻图形，厚度为2mm，保留空气桥下方的聚酰亚胺作为牺牲层；

15)涂覆光刻胶，光刻去除空气桥、共面波导传输线以及输出电极位置的光刻胶；

16)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；

17)去除光刻胶以及光刻胶上的Au，形成空气桥、共面波导传输线和输出电极；

18)深反应离子刻蚀(DRIE)共面波导传输线，制作缝隙结构；

19)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；

20)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除空气桥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。

本发明的不同之处在于：

本发明采用了缝隙结构，这种缝隙结构能够将在共面波导传输线中传播的微波信号耦合出一小部分，并利用这部分耦合出的小信号来检测待测微波信号的相位大小，从而实现了微波相位的在线式检测；信号的功率检测则采用间接热电式微波功率传感器来实现热电转换，信号的合成采用T形结，信号的在线式相位检测采用矢量合成法。另外由于耦合出的信号功率和待测信号相比非常小，因此对该微波信号影响不大，该微波信号可以继续在共面波导传输线上传播并进行后续的信号处理。

满足以上条件的结构即视为本发明的缝隙T形结在线式微波相位检测器。。