專利名稱：呈72°角五端口微電子機械微波功率傳感器及制備方法
技術領域：
本發明提出了呈72°角五端口微電子機械微波功率傳感器及制備方法，屬于微電子機械系統(MEMS)的技術領域。
背景技術：
在微波技術研究中，微波功率是表征微波信號特征的一個重要參數。傳統的功率計采用波導形式的微波功率傳感器，通常以鉍-銻作為熱電偶，采用同軸電纜作為傳輸線， 其主要的缺點是體積較大且無法實現與微波電路的集成。目前，最常見的微波功率傳感器是基于熱電轉換原理的微波功率傳感器。它的工作原理為輸入的待測微波功率從共面波導傳輸線的一端被引入，在傳輸線另一端連接的終端匹配電阻吸收該微波功率而轉化為熱， 在終端匹配電阻附近放置熱電堆探測終端匹配電阻附近的溫差，基于kebeck效應，在熱電堆的輸出端產生直流熱電勢，實現微波功率的測量。它具有體積小、低的損耗、高的靈敏度、好的線性度以及與單片微波集成電路兼容的優點。本發明是基于此工作原理的微波功率傳感器。

發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種基于MEMS技術的呈72°角五端口微波功率傳感器及制備方法，通過對稱放置五個共面波導(CPW)，它們相互之間呈72°的角，在每個共面波導的輸出端連接兩個終端匹配電阻，每個終端匹配電阻附近有一個熱電偶，將這五對熱電偶也成對稱放置并串聯連接形成熱電堆，這五對熱電偶相互之間也同樣呈72°的角， 從而實現五端口微波功率的測量；它大大減小了芯片面積，提高了集成度。技術方案本發明的呈72°角五端口微電子機械微波功率傳感器以砷化鎵(GaAs) 為襯底，在襯底上設有五個CPW、十個終端匹配電阻、一個由十個熱電偶構成五對熱電偶而組成的熱電堆、兩個輸出壓焊塊、一個金屬散熱片以及連接線，在襯底下形成一個MEMS襯底膜結構
CPW用于實現微波信號的傳輸，以及測試儀器和終端匹配電阻的電路連接。每個CPW由一條CPW的信號線和兩條地線組成。終端匹配電阻被連接到CPW的輸出端，完全吸收由CPW輸入端傳輸的微波功率，并轉換為熱量。熱電堆是由十個熱電偶構成五對熱電偶而組成的，每個熱電偶靠近一個終端匹配電阻，但不與該終端匹配電阻連接；熱電堆靠近終端電阻的一端吸收到這種熱量，并引起這端溫度的升高，即為熱電堆的熱端，然而熱電堆的另一端的溫度被作為環境溫度，即為熱電堆的冷端，由于熱電堆熱冷兩端溫度的不同，根據Seebeck效應，在熱電堆的輸出壓焊塊上產生熱電勢的輸出。金屬散熱片被熱電堆的冷端環繞，用于維持熱電堆的冷端溫度為環境溫度，從而提高熱電堆熱冷兩端的溫差。
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連接線用于熱電偶之間的互相連接以及熱電堆與輸出壓焊塊之間的連接。MEMS襯底膜結構位于終端匹配電阻和熱電堆的熱端下方，在其下方的GaAs襯底通過MEMS背面刻蝕技術去掉一部分，形成MEMS襯底膜結構，提高了熱量由終端電阻向熱電堆熱端的傳輸效率從而提高熱電堆熱冷兩端的溫差。在機械結構上，CPW、終端匹配電阻、熱電堆、輸出壓焊塊、金屬散熱片以及連接線制作在同一塊GaAs襯底上。本發明的呈72°角五端口微電子機械微波功率傳感器通過對稱放置五個CPW，它們相互之間呈72°的角，在每個CPW的輸出端連接兩個終端匹配電阻，每個終端匹配電阻附近有一個熱電偶，將這五對熱電偶也成對稱放置并串聯連接形成熱電堆，這五對熱電偶相互之間也同樣呈72°的角，從而實現五端口微波功率的測量。當一個、兩個、三個、四個或者五個待測的微波信號分別通過一個、兩個、三個、四個或者五個CPW輸入端引入時，在其CPW 輸出端并聯的終端匹配電阻分別吸收這些微波功率而產生熱量，使終端電阻周圍的溫度升高，放置在該終端電阻附近的熱電偶分別測量其溫度差，基于kebeck效應，在熱電堆的輸出壓焊塊上產生熱電勢的輸出，從而實現單輸入、雙輸入、三輸入、四輸入或者五輸入微波功率的測量。呈72°角五端口微電子機械微波功率傳感器的制備方法為
1)準備砷化鎵襯底選用外延的半絕緣砷化鎵襯底，其中外延N+砷化鎵的摻雜濃度為重摻雜(一般濃度大于等于IO18CnT3)；
2)光刻并隔離外延的N+砷化鎵，形成熱電堆的半導體熱偶臂的圖形和歐姆接觸區；
3)反刻由熱電堆的半導體熱偶臂的圖形組成的N+砷化鎵，形成輕摻雜(一般濃度小于IO18CnT3)的熱電堆的半導體熱偶臂；
4)光刻去除將要保留金鍺鎳/金地方的光刻膠；
5)濺射金鍺鎳/金；
6)剝離，形成熱電堆的金屬熱偶臂；
7)光刻去除將要保留氮化鉭地方的光刻膠；
8)濺射氮化鉭；
9)剝離;
10)光刻去除將要保留第一層金的地方的光刻膠；
11)蒸發第一層金；
12)剝離，初步形成CPW，金屬散熱片、輸出壓焊塊以及連接線；
13)反刻氮化鉭，形成與CPW輸出端相連接的終端匹配電阻，其方塊電阻為25Ω / ；
14)蒸發鈦/金/鈦蒸發用于電鍍的底金；
15)光刻去除要電鍍地方的光刻膠；
16)電鍍金；
17)去除光刻膠去除不需要電鍍地方的光刻膠；
18)反刻鈦/金/鈦，腐蝕底金，形成CPW，金屬散熱片、輸出壓焊塊以及連接線；
19)將該砷化鎵襯底背面減薄(一般在50//m和150// m之間)；
20)背面光刻去除在砷化鎵背面形成膜結構地方的光刻膠；
21)刻蝕減薄終端電阻和熱電堆的熱端下方的砷化鎵襯底，形成膜結構。
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有益效果本發明的呈72°角五端口微電子機械微波功率傳感器不但具有傳統熱電式微波功率傳感器的優點，如低損耗、高靈敏度、好的線性度，而且具有實現五端口微波功率的測量、高的集成度以及與砷化鎵單片微波集成電路兼容的優點。


圖1是呈72°角五端口微電子機械微波功率傳感器的示意圖； 圖2是呈72°角五端口微電子機械微波功率傳感器的A-A剖面圖； 圖3是呈72°角五端口微電子機械微波功率傳感器的B-B剖面圖中包括五個微波信號輸入端1、2、3、4和5，CPW 6，終端匹配電阻7，由十個熱電偶8 構成的熱電堆，半導體熱偶臂9，金屬熱偶臂10，金屬散熱片11，輸出壓焊塊12，MEMS襯底的膜結構13，連接線14，砷化鎵襯底15。
具體實施例方式本文發明的呈72°角五端口微電子機械微波功率傳感器的具體實施方案如下 在砷化鎵襯底15上設有五個CPW 6、十個終端匹配電阻7、一個由十個熱電偶8構成五
對熱電偶8而組成的熱電堆、兩個輸出壓焊塊12、一個金屬散熱片11以及連接線14，在襯底15下形成一個MEMS襯底膜結構12
CPff 6用于實現微波信號的傳輸，以及測試儀器和終端匹配電阻7的電路連接。每個 CPff 6由一條CPW的信號線和兩條地線組成。終端匹配電阻7被連接到CPW 6的輸出端，完全吸收由CPW 6輸入端1、2、3、4和 5傳輸的微波功率，并轉換為熱量。熱電堆是由十個熱電偶8構成五對熱電偶8而組成的，每個熱電偶8靠近一個終端匹配電阻7，但不與該終端電阻7連接；熱電堆靠近終端電阻7的一端吸收到這種熱量， 并引起這端溫度的升高，即為熱電堆的熱端，然而熱電堆的另一端的溫度被作為環境溫度， 即為熱電堆的冷端，由于熱電堆熱冷兩端溫度的不同，根據kebeck效應，在熱電堆的輸出壓焊塊12上產生熱電勢的輸出。金屬散熱片11被熱電堆的冷端環繞，用于維持熱電堆的冷端溫度為環境溫度，從而提高熱電堆熱冷兩端的溫差。連接線14用于熱電偶8之間的互相連接以及熱電堆與輸出壓焊塊12之間的連接。MEMS襯底膜結構13位于終端匹配電阻7和熱電堆的熱端下方，在其下方的GaAs 襯底15通過MEMS背面刻蝕技術去掉一部分，形成MEMS襯底膜結構13，提高了熱量由終端電阻7向熱電堆熱端的傳輸效率從而提高熱電堆熱冷兩端的溫差。在機械結構上，CPff 6、終端匹配電阻7、熱電堆、輸出壓焊塊12、金屬散熱片11以及連接線14制作在同一塊GaAs襯底15上。本發明的呈72°角五端口微電子機械微波功率傳感器通過對稱放置五個CPW 6， 它們相互之間呈72°的角，在每個CPW 6的輸出端連接兩個終端匹配電阻7，每個終端匹配電阻7附近有一個熱電偶8，將這五對熱電偶8也成對稱放置并串聯連接形成熱電堆，這五對熱電偶8相互之間也同樣呈72°的角，從而實現五端口微波功率的測量。當一個、兩個、三
5個、四個或者五個待測的微波信號分別通過一個、兩個、三個、四個或者五個CPW輸入端1、 2、3、4和5引入時，在其CPW 6輸出端并聯的終端匹配電阻7分別吸收這些微波功率而產生熱量，使終端電阻7周圍的溫度升高，放置在該終端電阻7附近的熱電偶8分別測量其溫度差，基于kebeck效應，在熱電堆的輸出壓焊塊12上產生熱電勢的輸出，從而實現單輸入、 雙輸入、三輸入、四輸入或者五輸入微波功率的測量。呈72°角五端口微電子機械微波功率傳感器的制備方法為
1)準備砷化鎵襯底15選用外延的半絕緣砷化鎵襯底，其中外延N+砷化鎵的摻雜濃度為重摻雜(一般濃度大于等于IO18CnT3)；
2)光刻并隔離外延的N+砷化鎵，形成熱電堆的半導體熱偶臂的圖形和歐姆接觸區；
3)反刻由熱電堆的半導體熱偶臂的圖形組成的N+砷化鎵，形成輕摻雜(一般濃度小于IO18CnT3)的熱電堆的半導體熱偶臂9 ；
4)光刻去除將要保留金鍺鎳/金地方的光刻膠；
5)濺射金鍺鎳/金；
6)剝離，形成熱電堆的金屬熱偶臂10；
7)光刻去除將要保留氮化鉭地方的光刻膠；
8)濺射氮化鉭；
9)剝離;
10)光刻去除將要保留第一層金的地方的光刻膠；
11)蒸發第一層金；
12)剝離，初步形成CPW6，金屬散熱片11，輸出壓焊塊12以及連接線14;
13)反刻氮化鉭，形成與CPW輸出端相連接的終端匹配電阻7，其方塊電阻為25Ω/;
14)蒸發鈦/金/鈦蒸發用于電鍍的底金；
15)光刻去除要電鍍地方的光刻膠；
16)電鍍金；
17)去除光刻膠去除不需要電鍍地方的光刻膠；
18)反刻鈦/金/鈦，腐蝕底金，形成CPW6，金屬散熱片11，輸出壓焊塊12以及連接線
14；
19)將該砷化鎵襯底15背面減薄(一般在50//m和150// m之間)；
20)背面光刻去除在砷化鎵15背面形成膜結構地方的光刻膠；
21)刻蝕減薄終端電阻7和熱電堆的熱端下方的砷化鎵襯底15，形成膜結構13。區分是否為該結構的標準如下
本發明的呈72°角五端口微電子機械微波功率傳感器，通過對稱放置五個CPW 6，它們相互之間呈72°的角，在每個CPW的輸出端連接兩個終端匹配電阻7，每個終端匹配電阻7 附近有一個熱電偶8，將這五對熱電偶8也成對稱放置并串聯連接形成熱電堆，這五對熱電偶8相互之間也同樣呈72°的角，從而實現五端口微波功率的測量；滿足以上條件的結構即視為本發明的呈72°角五端口微電子機械微波功率傳感器。
權利要求
1.一種呈72°角五端口微電子機械微波功率傳感器，其特征在于該結構制作在砷化鎵襯底(15)上，在其上設有五個CPW (6)，它們彼此對稱放置且相互之間呈72°的角，在每個 CPff (6)輸出端并聯連接兩個終端匹配電阻(7)，每個終端匹配電阻(7)附近有一個熱電偶 (8),這些熱電偶(8)組成熱電堆，在熱電堆的兩端連接兩個輸出壓焊塊(12)；在砷化鎵襯底的背面有MEMS襯底膜結構(13)，它們分別位于終端匹配電阻(7)和熱電堆的熱端下方。
2.根據權利要求1所述的呈72°角五端口微電子機械微波功率傳感器，其特征在于用于傳輸微波信號的CPW輸入端(1、2、3、4和5)的數量為五個，且相互之間呈72°的角。
3.根據權利要求1所述的呈72°角五端口微電子機械微波功率傳感器，其特征在于每個CPW輸出端連接的兩個終端匹配電阻(7 )附近有兩個熱電偶(8 )，這五對熱電偶(8 )也成對稱放置并串聯連接形成熱電堆，這五對熱電偶(8)相互之間也同樣呈72°的角。
4.根據權利要求1所述的呈72°角五端口微電子機械微波功率傳感器，其特征在于金屬散熱片(11)被熱電堆的冷端環繞；熱電偶(8)之間以及熱電堆與輸出壓焊塊(12)之間通過連接線(14)實現連接。
5.一種如權利要求1所述的呈72°角五端口微電子機械微波功率傳感器的制備方法， 其特征在于制備方法為1)準備砷化鎵襯底(15)選用外延的半絕緣砷化鎵襯底，其中外延N+砷化鎵的摻雜濃度為重摻雜，其重摻雜的濃度一般大于等于IO18CnT3 ；2)光刻并隔離外延的N+砷化鎵，形成熱電堆的半導體熱偶臂的圖形和歐姆接觸區；3)反刻由熱電堆的半導體熱偶臂的圖形組成的N+砷化鎵，形成輕摻雜的熱電堆的半導體熱偶臂(9)，其輕摻雜的濃度一般小于IO18CnT3 ；4)光刻去除將要保留金鍺鎳/金地方的光刻膠；5)濺射金鍺鎳/金；6)剝離，形成熱電堆的金屬熱偶臂(10)；7)光刻去除將要保留氮化鉭地方的光刻膠；8)濺射氮化鉭；9)剝離;10)光刻去除將要保留第一層金的地方的光刻膠；11)蒸發第一層金；12)剝離，初步形成CPW(6)，金屬散熱片(11)，輸出壓焊塊(12)以及連接線(14);13)反刻氮化鉭，形成與CPW輸出端相連接的終端匹配電阻(7)，其方塊電阻為25Ω/；14)蒸發鈦/金/鈦蒸發用于電鍍的底金；15)光刻去除要電鍍地方的光刻膠；16)電鍍金；17)去除光刻膠去除不需要電鍍地方的光刻膠；18)反刻鈦/金/鈦，腐蝕底金，形成CPW(6)，金屬散熱片(11)，輸出壓焊塊(12)以及連接線(14)；19)將該砷化鎵襯底(15)背面減薄，其厚度一般在50//m和150//m之間；20)背面光刻去除在砷化鎵(15)背面形成膜結構地方的光刻膠；21)刻蝕減薄終端電阻(7)和熱電堆的熱端下方的砷化鎵襯底(15)，形成膜結構(13)。
全文摘要
本發明的呈72o角五端口微電子機械微波功率傳感器不但具有傳統熱電式微波功率傳感器的優點，如低損耗、高靈敏度、好的線性度，而且具有實現五端口微波功率的測量、高的集成度以及與砷化鎵單片微波集成電路兼容的優點。該結構在砷化鎵襯底上，有五個用于傳輸微波信號的CPW輸入端，它們彼此對稱放置且相互之間呈72o的角，在每個CPW的輸出端連接兩個終端匹配電阻，每個終端匹配電阻附近有一個熱電偶，將這五對熱電偶也成對稱放置并串聯連接形成熱電堆，這五對熱電偶相互之間也同樣呈72o的角；金屬散熱片被熱電堆的冷端環繞；MEMS襯底膜結構位于終端匹配電阻和熱電堆的熱端下方。
文檔編號G01R21/02GK102393487SQ201110229109
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月11日 優先權日2011年8月11日
發明者廖小平, 張志強 申請人:東南大學