[发明专利]微机械悬臂梁开关在线式微波功率检测器及制备方法

说明书

 

技术领域

本发明提出了微机械悬臂梁开关在线式微波功率检测器及制备方法，属于微电子机械系统（MEMS）的技术领域。

背景技术

微波信号中包含功率、相位和频率三大信息，其中功率是微波信号的一个重要特征参数。微波功率的测量在微波技术中有相当重要的应用价值，它已经是电磁波测量领域中不可缺少的部分。随着近年来，MEMS技术的蓬勃发展，使得基于此项技术的各种应用成为可能。一种基于MEMS技术的微波功率检测器其工作原理是，微波信号能够直接加热位于传输线末端的热电臂，将电磁能转化为热能，于是就会在被加热的热电偶与由另一种材料构成的热电臂之间形成温度差，根据Seebeck效应，这种温度差能使热电偶的输出端上出现与微波功率大小相对应的恒定电势差，从而完成微波功率的测量。这种测量方法具有灵敏度好，线性度高以及功率损耗小等优点，随着现代微波集成电路的飞速发展，微波功率测量要求实现片上的微波功率的在线式测量，能够按照实际需要来控制微波功率的比例，并测量出微波功率的大小。利用微电子机械悬臂梁开关式微波功率耦合器，并采用上述直接加热式MEMS微波功率检测器方案，使得具有上述功能的悬臂梁开关在线式微波功率检测器成为可能。

发明内容

技术问题：为了实现对可控微波功率的在线式测量，本发明提供一种基于MEMS技术微电子机械悬臂梁开关在线式微波功率检测器及制备方法，通过设计耦合度可控的微波功率耦合器，来实现对微波信号以不同的比进行的在线式采集，同时在耦合输出端制作与传输线特征阻抗相匹配的且由不同材料的热电臂构成的热电堆，将输入的微波信号完全吸收，并转化为热电势即恒定电压的形式输出，从而在耦合器的特定工作模式下检测出的微波功率大小。

技术方案：本发明的微机械悬臂梁开关在线式微波功率检测器以带背金的砷化镓（GaAs）为衬底，在衬底的背面有厚度均匀的金属作为共地面，在衬底上设有微带信号线组成的主传输线、副传输线、两个相同的MEMS悬臂梁、悬臂梁的锚区、空气桥、输出压焊块、隔离电阻、一个由四个热电臂，即两对热电偶组成的热电堆：

砷化镓衬底背面有一层厚度均匀的金属，作为微带线结构的共地面，采用金材料构成。

微带信号线在衬底上用于传输微波信号，是实现耦合度可变的微波功率耦合器的主要传输线结构。该耦合器的四个端口、及主传输线、副传输线、耦合传输线均由该结构构成；通过设计各微带信号线的平面尺寸以及相互间距，可以根据要求设计该耦合器的在各种工作模式下的耦合度。该微带信号线采用金材料构成。

该微波功率耦合器包含两个相同的可动的MEMS悬臂梁结构，其属于串联直接接触式MEMS开关的范畴。悬臂梁的锚区与主微带信号线相连接；悬臂梁下方具有驱动电极，在驱动电极上覆盖氮化硅介质层，驱动电极由引线与压焊块相连接；在悬臂梁自由端下方具有带凸点的过渡微带信号线，且其凸点上没有氮化硅介质层。通过控制悬臂梁下方的驱动电极有无驱动电压来控制该悬臂梁是否处于DOWN或UP状态，从而实现该微波功率耦合器的紧耦合或松耦合工作状态。MEMS悬臂梁、驱动电极、引线和压焊块均采用金材料构成。

空气桥用于跨接被孤立的耦合微带线和过渡微带信号线，其空气桥和耦合微带线均采用金材料构成。

隔离电阻被连接到耦合器的隔离端口，用于完全吸收由于主传输线输入阻抗失配，而在隔离端口输出的微波功率，该电阻可以将这部分功率转换为热量，采用氮化钽材料构成。

热电堆连接在耦合器的耦合输出端口，由两对与耦合输出端口阻抗相匹配的热电偶组成，每对热电偶由一个半导体热偶臂和一个金属热偶臂相接触构成。根据Seebeck效应，热电偶的这种结构可以将由一端输入的微波信号功率直接吸收，并在热电偶的另一端产生热电势，通过输出压焊块输出稳定电势差，由该电势差可以确定相应的微波信号的功率大小。其中半导体热偶臂采用掺杂的砷化镓材料，金属热偶臂采用金材料构成，输出压焊块采用金材料。

在机械结构上，微带信号线、MEMS悬臂梁、悬臂梁的锚区、驱动电极、引线、压焊块、输出压焊块、空气桥、隔离电阻和热电堆均制作在同一块砷化镓衬底上。