[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

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统MEMS的技术领域，涉及微波功率耦合器和基于热电堆的终端式微波功率传感器，具体为一种微电子机械定向耦合式微波功率传感器及其制备方法。

背景技术

在微波技术研究中，微波功率是表征微波信号特征的一个重要参数，微波功率的测量在无线技术应用中具有重要的地位。现有的微波功率传感器包括两种：基于二极管、热敏电阻和热电堆的终端式微波功率传感器，它们具有低损耗和高灵敏度的优点，然而其最大的缺点是在测量微波功率时完全消耗输入信号功率；基于MEMS技术的在线式微波功率传感器，其最大的优点是在功率测量过程时微波信号仍是可用的，即在线微波功率测量。这两种微波功率传感器最大的不足是功率传感器传输微波信号时无论要不要求监测功率，总是会有全部的(终端式微波功率传感器)或一定的(在线式微波功率传感器)功率被消耗，造成了不必要的功率损耗。

目前传统的微波功率耦合器得到了广泛地研究，这就为利用微波功率耦合器的原理来研究微波功率传感器奠定了基础。微波功率耦合器是用于微波功率定向分配或功率组合的无源器件，通常使用定向耦合器对微波功率进行耦合。定向微波功率耦合器是一种具有方向性的四端口功率耦合器件，包含主传输线(主线)和副传输线(副线)两部分，主副线之间通过耦合机构，如缝隙、孔和耦合线段等，把主线功率的一部分耦合到副线中去。传统的定向微波功率耦合器是由波导、同轴线和微带线等构成的，它们具有低的损耗、高的隔离度和良好的方向性等优点，然而与前面所述的微波功率传感器相同，其最大的缺点也是不必要的功率损耗，主线传输微波信号无论副线要不要求分配微波功率，总是会有一定的微波功率被耦合到副线中去，造成了不必要的功率损耗。近年来，随着MEMS技术和微波功率耦合器的快速发展，并对MEMS固支梁结构和定向微波功率耦合器进行了深入的研究，使基于MEMS技术实现具有低损耗、高灵敏度、宽频带、良好的线性度以及在线监测与不监测功能的定向耦合式微波功率传感器成为可能。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有微波功率的传感测量中，功率传感器传输微波信号时无论要不要求监测功率，总是会有全部的(终端式微波功率传感器)或一定的(在线式微波功率传感器)功率被消耗，造成了不必要的功率损耗。

本发明的技术方案为：微电子机械定向耦合式微波功率传感器，由一个四端口的定向微波功率耦合器和一个基于热电堆的终端式微波功率传感器组成，以砷化镓衬底为基底；在基底上设置定向微波功率耦合器的主线和副线，所述四端口分别为主线输入端口、主线输出端口、副线耦合输出端口和副线隔离端口，副线与主线耦合的部分设有MEMS固支梁，MEMS固支梁作为副线的一段耦合线段，并位于副线中部；MEMS固支梁下方设有驱动电极，对应驱动电极在副线外侧设有电输入压焊块，通过引线与驱动电极连接；定向微波功率耦合器的耦合输出端口设有终端发热电阻，热电堆设置在终端发热电阻旁，由共面波导CPW构成的副线耦合输出端口、终端发热电阻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。

定向耦合式微波功率传感器的主线包括由共面波导CPW构成主线输入端口、主线输出端口，和由不对称共面带线ACPS构成功率传输部分；副线包括由CPW构成副线耦合输出端口、副线隔离端口，和由ACPS构成功率耦合部分；CPW由一个信号线和两个地线组成，ACPS由一个信号线和一个地线组成，CPW和ACPS的信号线组合构成主线信号线、副线信号线；MEMS固支梁通过MEMS固支梁锚区与功率耦合部分固定连接，驱动电极的两端不与MEMS固支梁的锚区相连接，副线外侧设有两个电输入压焊块，分别通过引线与驱动电极和副线ACPS的地线相连接，其中，连接驱动电极和电输入压焊块的引线隔开副线ACPS的地线，耦合器中所有被隔开的地线通过空气桥相连接；基于热电堆的终端式微波功率传感器由CPW构成的副线耦合输出端、终端发热电阻和热电堆组成，副线耦合输出端连接终端发热电阻，热电堆靠近但不与终端发热电阻连接；驱动电极、所述引线隔开地线的部分、基于热电堆的终端式微波功率传感器的热电堆部分、氮化钽材料构成的终端发热电阻、以及空气桥下方非地线的部分被氮化硅介质层覆盖。

其中，主线和副线CPW、主线和副线ACPS、MEMS固支梁、MEMS固支梁的锚区、驱动电极、空气桥、引线和电输入压焊块的材料均为金。

本发明中的定向微波功率耦合器的副线隔离端口设有氮化钽材料构成的终端隔离电阻，终端隔离电阻上覆盖氮化硅介质层。

上述微电子机械定向耦合式微波功率传感器的制备方法，基于GaAs MMIC工艺，包括以下步骤：