[发明专利]微电子机械定向耦合式微波功率传感器及其制备方法

权利要求书

1.一种微电子机械定向耦合式微波功率传感器，其特征是由四端口的定向微波功率耦合器和基于热电堆的终端式微波功率传感器(23)组成，以砷化镓衬底(19)为基底；在基底上设置定向微波功率耦合器的主线(5)和副线(6)，所述四端口分别为主线输入端口(1)、主线输出端口(2)、副线耦合输出端口(3)和副线隔离端口(4)，副线(6)与主线(5)耦合的部分设有MEMS固支梁(9)，MEMS固支梁(9)作为副线(6)的一段耦合线段，并位于副线(6)中部；MEMS固支梁(9)下方设有驱动电极(11)，对应驱动电极(11)在副线(6)外侧设有电输入压焊块(18)，通过引线(17)与驱动电极(11)连接；定向微波功率耦合器的耦合输出端口(3)设有终端发热电阻(14-B)，热电堆设置在终端发热电阻(14-B)旁，由共面波导CPW构成的副线耦合输出端口(3)、终端发热电阻(14-B)以及靠近终端发热电阻的热电堆构成了基于热电堆的终端式微波功率传感器(23)。

2.根据权利要求1所述的微电子机械定向耦合式微波功率传感器，其特征是微电子机械定向耦合式微波功率传感器在定向微波功率耦合器中的主线(5)包括由共面波导CPW构成主线输入端口(1)、主线输出端口(2)，和由不对称共面带线ACPS构成功率传输部分(7)；副线(6)包括由CPW构成副线耦合输出端口(3)、副线隔离端口(4)，和由ACPS构成功率耦合部分(8)；CPW由一个信号线和两个地线(16)组成，ACPS由一个信号线和一个地线(16)组成，CPW和ACPS的信号线组合构成主线信号线(15)、副线信号线(15′)；MEMS固支梁(9)通过MEMS固支梁锚区(10)与功率耦合部分(8)固定连接，驱动电极(11)的两端不与MEMS固支梁的锚区(10)相连接，副线(6)外侧设有两个电输入压焊块(18)，分别通过引线(17)与驱动电极(11)和副线ACPS的地线(16)相连接，其中，连接驱动电极(11)和电输入压焊块(18)的引线(17)隔开副线ACPS的地线(16)，耦合器中所有被隔开的地线通过空气桥(13)相连接；基于热电堆的终端式微波功率传感器(23)中热电堆靠近但不与终端发热电阻(14-B)连接；驱动电极(11)、所述引线(17)隔开地线(16)的部分、基于热电堆的终端式微波功率传感器(23)的热电堆部分、氮化钽材料构成的终端发热电阻(14-B)、以及空气桥(13)下方非地线的部分被氮化硅介质层(12)覆盖。

3.根据权利要求2所述的微电子机械定向耦合式微波功率传感器，其特征是主线和副线CPW、主线和副线ACPS、MEMS固支梁(9)、MEMS固支梁的锚区(10)、驱动电极(11)、空气桥(13)、引线(17)和电输入压焊块(18)的材料均为金。

4.根据权利要求1或2或3所述的微电子机械定向耦合式微波功率传感器，其特征是定向微波功率耦合器的副线隔离端口(4)设有氮化钽材料构成的终端隔离电阻(14-A)，终端隔离电阻(14-A)上覆盖氮化硅介质层(12)。

5.权利要求1-4任一项所述的微电子机械定向耦合式微波功率传感器的制备方法，其特征是基于GaAs MMIC工艺，包括以下步骤：

1)准备砷化镓衬底(19)：选用外延的半绝缘砷化镓衬底，其中外延N⁺砷化镓的掺杂浓度为10¹⁸cm^-3，其方块电阻值为100～130Ω/□，在衬底正面制备微电子机械定向耦合式微波功率传感器；

2)在外延的N⁺砷化镓衬底涂覆光刻胶，保留预备制作欧姆接触区和初步形成热电堆的半导体热偶臂的光刻胶，然后去除光刻胶地方的外延N⁺砷化镓被隔离，形成欧姆接触区，并初步形成热电堆的半导体热偶臂；

3)反刻步骤2)中初步形成的热电堆半导体热偶臂，完全形成其掺杂浓度为10¹⁷cm^-3的热电堆的半导体热偶臂(20)；

4)在步骤3)得到的衬底上涂覆光刻胶，去除预备制作热电堆的金属热偶臂(21)处的光刻胶；

5)在衬底上溅射金锗镍/金，其厚度共为

6)剥离去除步骤4)中留下的光刻胶，连带去除光刻胶上的金锗镍/金，形成热电堆的金属热偶臂(21)；

7)在步骤6)得到的衬底上涂覆光刻胶，去除预备制作终端隔离电阻(14-A)和终端发热电阻(14-B)处的光刻胶；

8)在衬底上溅射氮化钽，其厚度为1μm；

9)将步骤7)中留下的光刻胶剥离去除，连带去除光刻胶上面的氮化钽，初步形成由氮化钽构成的终端隔离电阻(14-A)和终端发热电阻(14-B)；

10)在砷化镓衬底上涂覆光刻胶，再去除预备制作主线和副线CPW、主线和副线ACPS、MEMS固支梁的锚区(10)、驱动电极(11)、引线(17)以及电输入压焊块(18)地方的光刻胶；

11)在衬底上通过蒸发方式生长一层金，其厚度为0.3μm；

12)将步骤10)留下的光刻胶剥离去除，连带去除了光刻胶上面的金，形成驱动电极(11)和引线(17)，并初步形成主线和副线CPW、主线和副线ACPS、MEMS固支梁的锚区(10)以及电输入压焊块(18)；

13)反刻氮化钽，形成与副线隔离端(4)相连接的终端隔离电阻(14-A)和与副线耦合输出端(3)相连接的终端发热电阻(14-B)，其方块电阻均为25Ω/□；

14)淀积氮化硅：在前面步骤处理得到的砷化镓衬底(19)上用等离子体增强型化学气相淀积法工艺PECVD生长厚的氮化硅介质层；

15)光刻并刻蚀氮化硅介质层，保留覆盖在驱动电极(11)、空气桥(13)下方的CPW信号线、引线(17)、基于热电堆的终端式微波功率传感器(23)的热电堆部分、终端隔离电阻(14-A)以及终端发热电阻(14-B)上的氮化硅介质层；

16)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在砷化镓衬底(19)上涂覆1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，填满所有凹坑，其中，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了MEMS固支梁(9)与其下方驱动电极(11)上的氮化硅介质层(12)之间的距离，以及空气桥(13)的高度；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS固支梁(9)和空气桥(13)下方的牺牲层；

17)通过蒸发方式生长用于电镀的底金：蒸发钛/金/钛，作为底金，其厚度为500/1500/

18)涂覆光刻胶，去除预备制作MEMS固支梁(9)、空气桥(13)、MEMS固支梁的锚区(10)、主线和副线CPW、主线和副线ACPS以及电输入压焊块(18)地方的光刻胶；

19)电镀一层金，其厚度为2μm；

20)去除步骤18)中留下的光刻胶；

21)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成MEMS固支梁(9)、空气桥(13)、以及完整的主线和副线CPW、主线和副线ACPS以及电输入压焊块(18)；

22)将该砷化镓衬底(19)背面减薄至100μm；

23)在砷化镓衬底(19)的背面涂覆光刻胶，去除预备在砷化镓背面形成膜结构(22)地方的光刻胶；

24)刻蚀减薄终端发热电阻(14-B)和热电堆的热端下方的砷化镓衬底，形成膜结构(22)，刻蚀80μm的衬底厚度，保留20μm的膜结构；

25)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS固支梁(9)和空气桥(13)下的聚酰亚胺牺牲层，去离子水浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干，得到微电子机械定向耦合式微波功率传感器。