硅基悬臂梁耦合直接加热式毫米波信号检测仪器制造技术

本发明专利技术的硅基悬臂梁耦合直接加热式毫米波信号检测仪器是由传感器、模数转换和液晶显示三大模块组成，传感器模块是由悬臂梁耦合结构、功率分配/合成器、直接加热式微波功率传感器和开关构成，衬底材料为高阻Si，功率通过输入端口对应的CPW信号线终端的直接加热式微波功率传感器进行检测；频率检测通过利用直接加热式微波功率传感器测量两路在中心频率处相位差为90度的耦合信号的合成功率实现；相位检测通过将两路在中心频率处相位差为90度的耦合信号，分别同两路等分后的参考信号合成，同样利用直接加热式微波功率传感器检测合成功率，从而获得待测信号的相位。模数转换由MCS51单片机实现，液晶显示部分由三块液晶显示屏构成。

【技术实现步骤摘要】
硅基悬臂梁耦合直接加热式毫米波信号检测仪器
本专利技术提出了一种硅基悬臂梁耦合直接加热式毫米波信号检测仪器，属于微电子机械系统(MEMS)的

技术介绍
毫米波属于较高频段的微波，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重大的意义。作为微波信号的三大基本参数，功率、频率和相位的检测在毫米波系统中扮演者重要角色。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。同时，通过模数转换和液晶显示环节对测得的微波参量进行显示输出，得到一个完整的微波信号检测仪器，具有较高的实际应用价值。
技术实现思路
技术问题:本专利技术的目的是提供一种硅基悬臂梁耦合直接加热式毫米波信号检测仪器，传感器部分实现毫米波信号的功率、频率和相位的测量，由单片机实现数模转换，最后显示在显示屏上，该仪器具有多功能和结构简单的优点。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种硅基悬臂梁耦合直接加热式毫米波信号检测仪器，该信号检测仪器包括传感器、单片机和液晶显示屏三个部分；传感器由悬臂梁耦合结构、功率合成器/分配器、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，第九端口与第一功率合成器的第十三端口相连，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，第十二端口与第一功率合成器的第十四端口相连，最后，第一功率合成器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，第五端口与第二功率合成器的第十九端口相连，第六端口与第三功率合成器的第二十二端口相连，待测信号从功率分配器的第十六端口输入，功率分配器的第十七端口与第二功率合成器的第二十端口相连，第十八端口与第三功率合成器的第二十三端口相连，第二功率合成器的第二十一端口接第五直接加热式微波功率传感器，第三功率合成器的第二十四端口接第六直接加热式微波功率传感器；所有微波功率传感器的输出端都连接到MCS51单片机。功率分配/合成器由CPW中央信号线、传输线地线、ACPS信号线、MIM电容和隔离电阻构成；CPW传输线的特征阻抗为50Ω，ACPS传输线的特征阻抗为70.7Ω，电长度为λ/4，隔离电阻的阻值为100Ω；MIM电容横跨于两个地线之间，位于CPW中央信号线上方，介电层为一层Si3N4；传输线采用弯折结构，同时在拐角处进行了补偿，用于减小版图面积。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。开关由CPW中央信号线、传输线地线、悬臂梁、悬臂梁锚区和下拉电极构成，下拉电极上覆盖有一层Si3N4介电层，未施加直流电压时，两个支路处于断开状态，通过在下拉电极上施加一定的直流偏置，可实现对应支路的导通，进一步实现耦合功率检测和频率检测两种状态的转换。数模转换是将传感器输出的功率直接转换成数字信号，这个部分主要是由MCS51单片机实现。液晶显示部分是将模数转换部分所得到的数字信号直接进行显示输出，得出待测信号的频率、相位和功率的读数。有益效果：本专利技术相对于现有的信号检测仪器具有以下优点：1.本专利技术的信号检测仪器集成了功率检测、相位检测和频率检测三种功能；2.本专利技术的信号检测仪器原理和结构简单，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.兼容COMS工艺，适合批量生产，成本低、可靠性高。4.实现了功率、相位和频率的数值显示，具有较高的实际应用价值。附图说明图1为本专利技术的硅基悬臂梁耦合直接加热式毫米波信号检测仪器的总框图；图2为本专利技术硅基悬臂梁耦合直接加热式毫米波信号检测仪器中的传感器的示意图；图3为本专利技术悬臂梁耦合结构的A-A’向的剖面图；图4为本专利技术功率分配/合成器的俯视图；图5为本专利技术直接加热式微波功率传感器的俯视图；图6为本专利技术直接加热式微波功率传感器的B-B’向的剖面图；图7为本专利技术开关的俯视图；图8为本专利技术开关C-C’向的剖面图；图中包括：高阻Si衬底1，SiO2层2，CPW中央信号线3，传输线地线4，悬臂梁5，悬臂梁锚区6，ACPS信号线7，MIM电容8，隔离电阻9，终端电阻10，Si3N4介电层11，输出Pad12，下拉电极13，悬臂梁耦合结构14，第一开关15，第二开关16，第一端口1-1，第二端口1-2，第三端口1-3，第四端口1-4，第五端口1-5，第六端口1-6，第七端口2-1，第八端口2-2，第九端口2-3，第十端口3-1，第十一端口3-2，第十二端口3-3，第十三端口4-1，第十四端口4-2，第十五端口4-3，第十六端口5-1，第十七端口5-2，第十八端口5-3，第十九端口6-1，第二十端口6-2，第二十一端口6-3，第二十二端口7-1，第二十三端口7-2，第二十四端口7-3。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步说明。参见图1-8，本专利技术提出了一种硅基悬臂梁耦合直接加热式毫米波信号检测仪器，主要是由传感器、模数转换和液晶显示三个大模块组成，如图1所示，这三个大模块又由一些基础的小模块和电路构成。其中，传感器模块主要包括悬臂梁耦合结构14、功率分配/合成器、直接加热式微波功率传感器和开光。悬臂梁耦合结构14由CPW中央信号线3、传输线地线4、悬臂梁5、悬臂梁锚区6构成。两组悬臂梁5悬于CPW中央信号线3上方，中间隔有Si3N4介质层11和空气，等效一个双介质层的MIM电容，悬臂梁5末端通过悬臂梁锚区6同耦合分支的CPW中央信号线3相连，每组悬臂梁5包括两个对称设计的悬臂梁5，两组悬臂梁5之间的CPW传输线电长度在所测信号频率范围内的中心频率35GHz处为λ/4。通过调整悬臂梁5附近的传输线地线4的形状，改变CPW传输线的阻抗，用于补偿悬臂梁5的引入带来的电容变化。功率分配/合成器由CPW中央信号线3、传输线地线4、ACPS信号线7、MIM电容8和隔离电阻9构成。CPW传输线的特征阻抗为50Ω，ACPS传输线的特征阻抗为70.7Ω，电长度为λ/4，隔离电阻的阻值为100Ω。MIM电容8横跨于两个地线之间，位于CPW中央信号线3上方，介电层为一层Si本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基悬臂梁耦合直接加热式毫米波信号检测仪器，其特征是：该信号检测仪器包括传感器、单片机和液晶显示屏三个部分；传感器由悬臂梁耦合结构(14)、功率合成器/分配器、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(14)上下、左右对称，由CPW中央信号线(3)、传输线地线(4)、悬臂梁(5)、悬臂梁锚区(6)构成，悬臂梁(5)置于CPW中央信号线(3)的上方，在悬臂梁(5)的下方有一层Si

【技术特征摘要】
1.一种硅基悬臂梁耦合直接加热式毫米波信号检测仪器，其特征是：该信号检测仪器包括传感器、单片机和液晶显示屏三个部分；传感器由悬臂梁耦合结构(14)、功率合成器/分配器、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(14)上下、左右对称，由CPW中央信号线(3)、传输线地线(4)、悬臂梁(5)、悬臂梁锚区(6)构成，悬臂梁(5)置于CPW中央信号线(3)的上方，在悬臂梁(5)的下方有一层Si3N4介电层(11)覆盖中央信号线(3)；待测信号由悬臂梁耦合结构(14)的第一端口(1-1)输入，第二端口(1-2)接第一直接加热式微波功率传感器；上方两个悬臂梁(5)耦合的信号由第三端口(1-3)和第四端口(1-4)输出，第三端口(1-3)与第一开关(18)的第七端口(2-1)相连，第四端口(1-4)与第二开关(19)的第十端口(3-1)相连，第一开关(18)的第八端口(2-2)与第二直接加热式微波功率传感器相连，第九端口(2-3)与第一功率合成器的第十三端口(4-1)相连，第二开关(19)的第十一端口(3-2)与第三直接加热式微波功率传感器相连，第十二端口(3-3)与第一功率合成器的第十四端口(4-2)相连，最后，第一功率合成器的第十五端口(4-3)接第四直接加热式微波功率传感器；下方两个悬臂梁(5)耦合的信号由第五端口(1-5)和第六端口(1-6)输出，第五端口(1-5)与第二功率合成器的第十九端口(6-1)相连，第六端口(1-6)与第三功率合成器的第二十二端口(7-1)相连，待测信号从功率分配器的第十六端口(5-1)输入，功率分配器的第十七端口(5-2)与第二功率合成器的第二十端口(6-2)相连，第十八端口(5-3)与第三功率合成器的第二十三端口(7-2)相连，第二功率合成器的第二十一端...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖小平，严嘉彬，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32