基于多端口环形结的可重构频率MEMS驻波计及制备方法

基于多端口环形结的可重构频率mems驻波计及制备方法
技术领域
1.本发明属于微电子机械系统(mems)的技术领域，尤其涉及一种基于多端口环形结的可重构频率mems驻波计及制备方法。


背景技术：

2.驻波计是微波系统中测量驻波比的元器件，它在微波系统模块的自检测应用中起到关键作用，具有可重构频率mems驻波计在微波系统中具有重要的研究和应用价值。mems驻波计主要包括微波信号提取部分和被提取微波信号检测部分，其中微波信号提取部分通常采用多端口环形结、采样传输线和定向耦合器等结构；而被提取微波信号检测部分通常采用二极管、逻辑电路和热敏电阻等结构。随着微波系统的集成化程度的提高，微波系统的尺寸变得越来越小，导致系统高度集成后难以测量和拆除，且其组件易受环境影响而失效，所以需要对高密度微波系统进行在线驻波比检测。然而，目前现有的驻波计具有体积较大、工作频率特定的缺点，且无法实现无源检测的需求。因此需要研制出一种无源、工作频率可调谐且易于集成的驻波计，以检测微波系统的驻波比，判断微波系统是否正常工作。随着mems技术的深入研究，使基于mems技术实现上述功能的驻波计成为可能。


技术实现要素：

3.本发明目的在于提供一种基于多端口环形结的可重构频率mems驻波计及制备方法,以解决目前现有的驻波计具有体积较大、工作频率特定的缺点，且无法实现无源检测的需求的技术问题。
4.为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
5.一种基于多端口环形结的可重构频率mems驻波计，包括硅衬底以及设置在硅衬底上的由环形定向耦合器及其耦合端口、输入端口、输出端口与隔离端口组成的cpw、mems可变电容器、连接线、压焊块、空气桥和两个热电式mems微波功率传感器；
6.由环形定向耦合器及其耦合端口、输入端口、输出端口与隔离端口组成的cpw放置在硅衬底上，组成耦合器的主体结构；其中耦合端口、输入端口、输出端口和隔离端口的特征阻抗均为50ω，环形定向耦合器的环形结的特征阻抗为70.7ω；
7.耦合端口、输入端口、输出端口及隔离端口的末端均与环形定向耦合环形结相连；其中输出端口和耦合端口位于输入端口两侧，且输出端口和耦合端口和环形定向耦合环形结的交点与输入端口和环形定向耦合环形结的交点的距离均为四分之一波长；输入端口和隔离端口位于输出端口两侧，且输入端口和隔离端口和环形定向耦合环形结的交点与输出端口和环形定向耦合环形结的交点的距离均为四分之一波长；通过在耦合端口和隔离端口分别连接一个热电式mems微波功率传感器，一起构成了微型热电式mems集成微波驻波计；
8.将六个mems可变电容器等距放置在环形定向耦合环形结上方，且其中三个mems可变电容器位于输入端口和耦合端口中间、输出端口和输入端口中间以及隔离端口和输出端口中间，每个所述的mems可变电容器的上极板为mems双端固支梁，而下极板为驱动电级，
mems双端固支梁横跨在cpw信号线上方且两端通过锚区分别固定在cpw信号线两侧的cpw地线上，在mems双端固支梁下方cpw信号线两侧对称地放置两个驱动电极，驱动电极分别通过连接线引出并连接压焊块；
9.每个所述空气桥横跨于连接线上，用于实现cpw地线间的电互联，而无需片外键合线；
10.每个所述的热电式mems微波功率传感器包括耦合端口或隔离端口其中一个端口、两个负载电阻、一个热电堆和一个mems衬底膜结构；其中，耦合端口并联连接两个负载电阻，而隔离端口并联连接另外两个负载电阻；两个相同的热电堆分别靠近放置在耦合端口和隔离端口处负载电阻附近，但不与负载电阻接触；通过体刻蚀技术，在负载电阻和热电堆的热端下方刻蚀减薄硅衬底，形成mems衬底膜结构；所述的热电堆是由n 多晶硅作为热电堆的半导体臂和由金属作为热电堆的金属臂构成。
11.进一步的，每个热电堆是由四对热电偶串联而成的。
12.进一步的，六个mems可变电容器是相同的；两个热电式mems微波功率传感器是相同的。
13.本发明还公开了一种基于多端口环形结的可重构频率mems驻波计的制备方法，制备方法为：
14.步骤1、准备硅衬底：选用高阻硅作为衬底；
15.步骤2、热氧化sio2介质层：在硅衬底上生长一层sio2；
16.步骤3、沉积多晶硅并n型注入：通过化学气相沉积方式在硅衬底上淀积一层多晶硅，并进行n型离子注入，形成mems结构；
17.步骤4、光刻多晶硅：在步骤3所形成的mems结构的表面涂覆光刻胶，去除热电堆的半导体臂以外区域的光刻胶，刻蚀多晶硅，刻蚀结束后去除半导体臂区域的光刻胶；
18.步骤5、在步骤4所得mems结构表面涂覆光刻胶并去除预备制作负载电阻处的光刻胶；
19.步骤6、沉积tan：沉积tan，剥离步骤5留下的光刻胶，连带去除光刻胶上面的tan，形成负载电阻；
20.步骤7、溅射并光刻cr/au层：在步骤6所形成的mems结构的表面涂覆光刻胶，去除预备制作cpw、驱动电极、连接线、热电堆的金属臂和压焊块地方的光刻胶，溅射cr/au，而后去除光刻胶，形成cpw、连接线、热电式mems微波功率传感器、压焊块结构和驱动电极；
21.步骤8、沉积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在步骤7所得的mems结构上涂覆聚酰亚胺牺牲层，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留空气桥和mems双端固支梁下方的聚酰亚胺牺牲层；
22.步骤9、蒸发种子层：在步骤8所得mems结构的表面通过蒸发的方式生长用于电镀的种子层，蒸发钛/金/钛，作为种子层；
23.步骤10、在步骤9所得mems结构表面涂覆光刻胶，去除预备制作mems双端固支梁和空气桥处的光刻胶；
24.步骤11、电镀金：电镀一层金，是在种子层的表面电镀，步骤9在所得mems结构表面蒸发了一层种子层，但是由于在步骤10中，除了mems双端固支梁和空气桥以外的种子层都被光刻胶覆盖了，所以此处的电镀只会在暴露的种子层上进行金属生长，即金的电镀只会在mems双端固支梁和空气桥处的种子层表面进行，并去除残留的光刻胶；
25.步骤12、反刻钛/金/钛：腐蚀钛/金/钛种子层，完全形成mems双端固支梁和空气桥；
26.步骤13、在硅衬底的背面涂覆光刻胶，去除预备在硅衬底的背面形成mems衬底膜结构的光刻胶；
27.步骤14、衬底反向干法刻蚀：在热电堆的热端和负载电阻下方刻蚀硅衬底，保留10μm厚的硅衬底，形成mems衬底膜结构；
28.步骤15、释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除mems双端固支梁和空气桥下方的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。
29.本发明的基于多端口环形结的可重构频率mems驻波计及制备方法具有以下优点：
30.1、本发明mems驻波计采用基于cpw的环形定向耦合器来代替基于传统的微带线结构，实现了入射微波功率和反射微波功率的提取的功能，可使得该驻波计在更高频段具有更低微波损耗，并且由于信号线和地线在同一平面上，便于串并联其它器件。
31.2、本发明在结构设计中，在环形定向耦合器的上分别并联六个相同的mems可变电容器，通过增加这些电容的大小来改变环形结的电长度以等效其相应物理长度，使得结构尺寸面积变小，从而实现该mems集成微波驻波计的微型化。
32.3、本发明在结构中，两个相同的热电式mems微波功率传感器用于将提取的入射微波功率和反射微波功率分别转换为直流热电压，其具有零直流功耗、高功率、高灵敏度和好的线性度。
33.4、本发明通过控制mems可变电容器中驱动电极上的驱动电压的大小，以改变电容大小，实现该驻波计的工作频率的连续调谐，解决了传统驻波计的单一频段的测量问题，从而实现可重构微波微系统的驻波比测量。
附图说明
34.图1是本发明的基于多端口环形结的可重构频率mems驻波计的示意图；
35.图2是本发明的基于多端口环形结的可重构频率mems驻波计的a-a剖面图；
36.图3是本发明的基于多端口环形结的可重构频率mems驻波计的b-b剖面图；
37.图中标记说明：1、cpw；2、mems可变电容器；3、mems双端固支梁；4、下极板；5、空气桥；6、连接线；7、热电式mems微波功率传感器；8、半导体臂；9、金属臂；10、负载电阻；11、环形定向耦合器；12、压焊块；13、硅衬底；14、sio2介质层；15、mems衬底膜；16-1、耦合端口；16-2、输入端口；16-3、输出端口；16-4、隔离端口。
具体实施方式
38.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于多端口环形结的可重构频率mems驻波计及制备方法做进一步详细的描述。
39.本发明的基于多端口环形结的可重构频率mems驻波计的具体实施方案如下：
40.基于多端口环形结的可重构频率mems驻波计采用高阻硅作为衬底，在硅衬底13上设置由环形定向耦合器11与其耦合端口16-1、输入端口16-2、输出端口16-3及隔离端口16-4所构成的cpw 1、六个mems可变电容器2、连接线6、压焊块12、空气桥5和两个热电式mems微波功率传感器7；由环形定向耦合器11与其耦合端口16-1、输入端口16-2、输出端口16-3及
隔离端口16-4所构成的cpw 1放置在硅衬底13上，组成耦合器的主体结构；其中耦合端口16-1、输入端口16-2、输出端口16-3及隔离端口16-4的特征阻抗均为50ω，环形定向耦合器11的环形结的特征阻抗为70.7ω；耦合端口16-1、输入端口16-2、输出端口16-3及隔离端口16-4末端均与环形结相连；其中输出端口16-3和耦合端口16-1位于输入端口16-2两侧，且输出端口16-3和耦合端口16-1和环形结的交点与输入端口16-2和环形结的交点的距离均为四分之一波长；输入端口16-2和隔离端口16-4位于输出端口16-3两侧，且输入端口16-2和隔离端口16-4和环形结的交点与输出端口16-3和环形结的交点的距离均为四分之一波长；
41.六个mems可变电容器2等距放置在环形结上方，且其中三个mems可变电容器2位于输入端口16-2和耦合端口16-1中间、输出端口16-3和输入端口16-2中间以及隔离端口16-4和输出端口16-3中间，每个所述的mems可变电容器2的上极板和下极板分别为mems双端固支梁3和驱动电极4，mems双端固支梁3横跨在cpw 1信号线上方且两端通过锚区分别固定在cpw 1信号线两侧的cpw 1地线上，在mems双端固支梁3下方cpw 1信号线两侧对称地放置两个驱动电极4，驱动电极4分别通过引线6引出并连接压焊块12；通过在压焊块12上施加驱动电压，基于静电原理，mems双端固支梁3和cpw 1信号线之间的间距会发生连续地变化，实现了在不同驱动电压下具有不同的电容值，即可以连续改变环形结的电长度，从而调谐频率。
42.热电式mems微波功率传感器7位于耦合端口16-1和隔离端口16-4末端，每个所述的热电式mems微波功率传感器7包括耦合端口16-1或隔离端口16-4其中一个端口、两个负载电阻10、一个热电堆和一个mems衬底膜15结构；其中，耦合端口16-1并联连接两个负载电阻10，而隔离端口16-4并联连接另外两个负载电阻10。每个负载电阻10的电阻值为100ω。两个相同的热电堆分别靠近放置在耦合端口16-1和隔离端口16-4处负载电阻附近，但不与负载电阻10接触。其中，每个热电堆是由四对热电偶串联而成的。当负载电阻10吸收微波功率时，产生热量，热电堆靠近负载电阻10的一端的温度升高，这一端称为热电堆的热端，而热电堆远离负载电阻10的另一端的温度几乎保持不变，为环境温度，称为热电堆的冷端。当负载电阻10吸收微波功率时产生热量，引起热电堆的热冷两端温度不同，基于seebeck效应，热电堆产生输出热电压。为了改善热量从负载电阻10至热电堆的热端的传输效率，进而提高热电堆的热冷两端的温差，通过体刻蚀技术，在负载电阻和热电堆的热端下方刻蚀减薄硅衬底，形成mems衬底膜15结构。所述的热电堆是由n 多晶硅作为热电堆的半导体臂8和由金属作为热电堆的金属臂9构成。
43.本发明的还公开了一种基于多端口环形结的可重构频率mems驻波计的制备方法，该方法为：
44.(1)准备硅衬底13：选用高阻硅作为衬底；
45.(2)热氧化sio2介质层14：在硅衬底13上生长一层sio2；
46.(3)沉积多晶硅并n型注入：通过化学气相沉积方式在硅衬底13上淀积一层多晶硅，并进行n型离子注入；
47.(4)光刻多晶硅：在步骤3所得mems结构表面涂覆光刻胶，去除热电堆的半导体臂8以外区域的光刻胶，刻蚀多晶硅，而后去除光刻胶；
48.(5)在步骤4所得mems结构表面涂覆光刻胶并去除预备制作负载电阻10处的光刻胶；
49.(6)沉积tan：沉积tan，剥离步骤5留下的光刻胶，连带去除光刻胶上面的tan，形成负载电阻10；
50.(7)溅射并光刻cr/au层：涂覆光刻胶，去除预备制作cpw 1、驱动电极4、连接线6、热电堆的金属臂9和压焊块12地方的光刻胶，溅射cr/au，而后去除光刻胶，形成cpw1、连接线6、热电式mems微波功率传感器7、压焊块12结构和驱动电极4；
51.(8)沉积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在步骤7所得mems结构表面涂覆聚酰亚胺牺牲层，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留空气桥5和mems双端固支梁3下方的聚酰亚胺牺牲层；
52.(9)蒸发种子层：通过蒸发的方式生长用于电镀的种子层，蒸发钛/金/钛，作为种子层；
53.(10)涂覆光刻胶，去除预备制作mems双端固支梁3和空气桥5上的光刻胶；
54.(11)电镀金：电镀一层金，并去除残留的光刻胶；
55.(12)反刻钛/金/钛：腐蚀钛/金/钛种子层，完全形成mems双端固支梁3和空气桥5；
56.(13)在硅衬底13的背面涂覆光刻胶，去除预备在硅衬底13的背面形成mems衬底膜15结构的光刻胶；
57.(14)衬底反向干法刻蚀：在热电堆的热端和负载电阻10下方刻蚀硅衬底13，保留10μm厚的硅衬底13，形成mems衬底膜15结构；
58.(15)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除mems双端固支梁3和空气桥5下方的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。
59.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。