[发明专利]基于硅基微机械悬臂梁T型结直接加热式毫米波信号检测器

说明书

技术领域

本发明提出了一种基于硅基微机械悬臂梁T型结直接加热式毫米波信号检测器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。

背景技术

长为1～10毫米的电磁波称为毫米波，处于较高的微波频段，在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学、临床医学和波谱学方面都有着重要研究价值。功率、频率和相位作为微波信号的三大参数，其检测是电磁测量的重要组成部分，在微波技术的应用中发挥着十分关键的作用。基于不断发展和成熟的MEMS技术，很多电子元件和机械元件都成功实现了小型化，同时性能上也不亚于传统元件，对于微波信号检测器也不例外。然而，目前现有的微波信号检测器，包括功率检测器、频率检测器和相位检测器，都是相对独立的器件，而在微波系统中需要同时测量功率、相位和频率的场合，独立器件所占的电路尺寸较大，同时存在着电磁兼容问题，所以研究毫米波信号集成检测系统成为未来发展的趋势。

发明内容

技术问题:本发明的目的是提供一种基于硅基微机械悬臂梁T型结直接加热式毫米波信号检测器，利用直接式微波功率传感器实现毫米波功率的检测，通过悬臂梁耦合结构耦合部分待测信号，分别进行毫米波频率和相位的检测，实现了功率、频率和相位的集成检测，具有结构简单、版图面积小的优点。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于硅基微机械悬臂梁T型结直接加热式毫米波信号检测器。该相位检测器由悬臂梁耦合结构、T型结、直接加热式微波功率传感器和开关构成；其中，悬臂梁耦合结构上下、左右对称，由CPW中央信号线、传输线地线、悬臂梁、悬臂梁锚区构成，悬臂梁置于CPW中央信号线的上方，在悬臂梁的下方有一层Si₃N₄介电层覆盖中央信号线；待测信号由悬臂梁耦合结构的第一端口输入，第二端口接第一直接加热式微波功率传感器；上方两个悬臂梁耦合的信号由第三端口和第四端口输出，第三端口与第一开关的第七端口相连，第四端口与第二开关的第十端口相连，第一开关的第八端口与第二直接加热式微波功率传感器相连，第九端口与第一T型结的第十三端口相连，第二开关的第十一端口与第三直接加热式微波功率传感器相连，第十二端口与第一T型结的第十四端口相连，最后，第一T型结的第十五端口接第四直接加热式微波功率传感器；下方两个悬臂梁耦合的信号由第五端口和第六端口输出，第五端口与第三T型结的第十九端口相连，第六端口与第四T型结的第二十二端口相连，待测信号从第二T型结的第十六端口输入，第二T型结的第十七端口与第三T型结的第二十端口相连，第十八端口与第四T型结的第二十三端口相连，第三T型结的第二十一端口接第五直接加热式微波功率传感器，第四T型结的第二十四端口接第六直接加热式微波功率传感器。

T型结由CPW中央信号线、传输线地线以及空气桥构成，其中空气桥用于地线之间的互连，为了方便空气桥的释放，在空气桥上制作了一组小孔阵列。

直接加热式微波功率传感器由CPW中央信号线、传输线地线、MIM电容、终端电阻、输出Pad构成，用于检测微波信号的功率大小，终端电阻设计为CPW传输线的匹配负载，同时作为热电偶的半导体臂，MIM电容作为隔直电容，起到阻断直流通路和微波通路的作用，在终端电阻热端下方的Si衬底被刻蚀，用于增大传感器的灵敏度，为了提高冷热端的温差，终端电阻设计为梯形。

待测毫米波信号从第一端口1-1输入，由第二端口1-2相连的第一直接加热式微波功率传感器检测毫米波功率；进行毫米波频率和相位检测时，首先通过开关将耦合信号输入到直接加热式微波功率传感器测出耦合信号的功率大小，接着通过开关将两路所测信号频率范围内的中心频率35GHz处相位差为90度的耦合信号输入到T型结，同样使用直接加热式微波功率传感器检测合成信号功率大小，由耦合信号和合成信号的大小可以推算出毫米波信号的频率；另外两路所测信号频率范围内的中心频率35GHz处相位差为90度的耦合信号分别和功率等分后的参考信号合成，由直接加热式微波功率传感器检测出两路合成信号功率的大小，联立方程可以求解待测毫米波信号的相位，可实现整个周期范围内相位角的测量。

有益效果：

本发明相对于现有的信号检测器具有以下优点：

1.本发明的信号检测器实现了功率检测、相位检测和频率检测三种功能的单片集成；

2.本发明的信号检测器原理和结构简单，版图面积较小，全部由无源器件组成因而不存在直流功耗；

3.本发明的信号检测器由于采用直接加热式微波功率传感器进行功率检测，灵敏度大，工艺简单。

4.兼容COMS工艺，适合批量生产，成本低、可靠性高。