具有在线自检测功能的对称型MEMS定向微波功率耦合器制造技术

本发明专利技术的具有在线自检测功能的对称型MEMS定向微波功率耦合器通过将两段ACPS传输线的信号线对称分布于主传输线的上下两侧，且每段ACPS传输线的长度为四分之一波长，构成对称型定向耦合器，利用对称型定向耦合器将入射微波功率分别耦合到耦合端端口三、五，使其具有两个耦合端的输出微波功率，从而实现了双端口耦合输出；在对称型定向耦合器的CPW传输线与ACPS传输线的四个连接节点处各放置一个电容式MEMS微波功率传感器，利用电容式MEMS微波功率传感器测量出两支路各端口传输的微波功率，实现了在线自检测功能；此外，其采用全无源结构具有零直流功耗以及与砷化镓单片微波集成电路工艺兼容等特点。

Symmetrical MEMS directional microwave power coupler with on-line self-test function

【技术实现步骤摘要】
具有在线自检测功能的对称型MEMS定向微波功率耦合器
本专利技术涉及具有在线自检测功能的对称型MEMS定向微波功率耦合器，尤其涉及一种基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical-System，微机电系统）技术的对称型MEMS定向微波功率耦合器。
技术介绍
微波功率耦合器是用于微波功率定向分配或功率组合的无源器件。通常情况下，采用定向耦合器将微波系统中传输的微波功率耦合出一部分。定向微波功率耦合器是一种具有方向性的四端口的微波功率耦合器件，其包含主传输线（主线）和副传输线（副线）两部分，主副线之间通过耦合机构，如缝隙、孔和耦合线段等，把主线功率的一部分耦合到副线中去。目前，传统的定向微波功率耦合器是由波导、同轴线或微带线等构成的，它们具有低的损耗、高的隔离度和良好的方向性等优点。然而，这些定向微波功率耦合器均不能在线检测自身耦合端的输出功率。如果要检测被耦合输出的微波功率，需要在其耦合端额外连接一个微波功率传感器，然而在连接处容易出现失配情况从而造成测量不准确。并且，此时在耦合端处因连接了传感器导致耦合输出的微波功率不能被继续应用，因而这种方法并非在线检测。此外，在一些应用场合，要求定向微波功率耦合器能够同时具有两个耦合端口，从而实现双端口耦合输出微波功率。但传统的定向微波功率耦合器通常只有一个耦合端，需采用两个独立的定向微波功率耦合器才能实现双端口耦合输出微波功率，这造成了较大的结构面积。随着微波集成电路的发展，现代个人通信系统和雷达系统不仅要求微波功率耦合器在功率耦合过程时具有传统定向微波功率耦合器的低损耗、高隔离度和良好的方向性等优点，而且要求微波功率耦合器具有在线检测、双端口耦合输出和微型化的特点。近年来，随着MEMS技术的快速发展，并对MEMS固支梁结构进行了深入的研究，使基于MEMS技术实现上述功能的对称型MEMS定向微波功率耦合器成为可能。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决传统定向微波功率耦合器不能实现在线检测耦合端的微波功率且因仅有一个耦合端输出不能实现双端口耦合输出微波功率的问题，提供一种具有在线自检测功能的对称型MEMS定向微波功率耦合器为了达到上述目的，本专利技术采用的方法是：一种具有在线自检测功能的对称型MEMS定向微波功率耦合器，采用砷化镓（GaAs）为衬底，在GaAs衬底上设有CPW传输线、ACPS传输线、对称型定向耦合器和四个相同的电容式MEMS微波功率传感器：CPW传输线水平放置在GaAs衬底上，作为MEMS定向微波功率耦合器的输入和输出端口；耦合端口和隔离端口处的CPW传输线，用于实现副传输线上的微波信号的传输。其中左侧的输入端口为端口一，右侧的输出端口为端口二，上方左侧的耦合端口为端口三，上方右侧的隔离端口为端口四，下方左侧的耦合端口为端口五，下方右侧的隔离端口为端口六。CPW传输线由一条信号线和两条地线组成，其中地线位于信号线的两侧。为了实现端口与外界的阻抗匹配，CPW传输线的端口特征阻抗通常设计为50Ω。两段ACPS传输线放置在GaAs衬底上，每段ACPS传输线由一条信号线和一条地线组成，其中ACPS传输线的信号线作为MEMS定向微波功率耦合器中对称型定向耦合器的副传输线。两段ACPS传输线的信号线对称地位于对称型定向耦合器中主传输线的上下两侧，其长度均为四分之一波长。在对称型定向耦合器中，每段副传输线两端分别为耦合端和隔离端，其中靠近输入端的为耦合端而靠近输出端的为隔离端。为了实现与CPW传输线连接的阻抗匹配，ACPS传输线的特征阻抗设计为50Ω。对称型定向耦合器位于该MEMS定向微波功率耦合器的输入、输出、耦合和隔离端口之间，其主要包括一段主传输线和两段副传输线，两段副传输线位于主传输线上下两侧，且两段副传输线到主传输线的距离相等。所述的每个电容式MEMS微波功率传感器主要是由MEMS固支梁、CPW传输线、Si3N4绝缘介质层、传感电极、连接线、空气桥和压焊块构成。四个相同的MEMS固支梁放置在对称型定向耦合器的CPW传输线和ACPS传输线连接节点处；MEMS固支梁横跨于CPW传输线的信号线上方，而MEMS固支梁的两端通过锚区固定在CPW信号线的两侧的CPW地线上；MEMS固支梁为设有等间距通孔的悬浮的固支梁结构，MEMS固支梁上的通孔有利于固支梁的释放。MEMS固支梁下方CPW信号线的左右两侧各有一个传感电极，采用连接线实现传感电极与外部的压焊块的互连；在连接线的上方采用空气桥完成被连接线分开的CPW地线的互连；同时传感电极、连接线和MEMS固支梁下方的CPW传输线的信号线上覆盖有Si3N4绝缘介质层。在机械结构上，CPW传输线、ACPS传输线、对称型定向耦合器、电容式MEMS微波功率传感器、空气桥和压焊块位于同一块GaAs衬底上。本专利技术的具有在线自检测功能的对称型MEMS定向微波功率耦合器，采用全无源结构构成，通过两段ACPS副传输线将主传输线上的输入微波功率耦合到耦合端的端口三和端口五，并且端口三和端口五接收到的耦合微波功率大小相等；通过将四个相同的电容式MEMS微波功率传感器放置在四条支路上可以在线检测传输到各个支路的微波功率大小；电容式MEMS微波功率传感器主要由MEMS固支梁、CPW传输线、传感电极构成，当微波功率传输到CPW传输线上时，会在CPW传输线与其上方的MEMS固支梁之间产生等效均方根电压，并因此MEMS固支梁会受到一个向下的等效静电力，在这个等效静电力的作用下，MEMS固支梁会发生向下弯曲变形，从而导致MEMS固支梁与传感电极之间的间隙变小，因此通过测量传感电极与MEMS固支梁之间电容的变化就可以推算出传输到电容式MEMS微波功率传感器的微波功率大小，得到了传输到各个耦合端和隔离端的微波功率的测量，实现了自检测的功能；定向耦合器通常只有一段副传输线、一个耦合端和一个隔离端，但通过设计两条对称的耦合支路，可以有两个耦合输出端，且输出相位相同。本专利技术的一种具有在线自检测功能的对称型MEMS定向微波功率耦合器的制备采用砷化镓单片微波集成电路和MEMS工艺，其制备方法的具体加工步骤如下：（1）选用砷化镓片作为衬底，其中，GaAs衬底为半绝缘的；（2）在步骤（2）得到的GaAs衬底上涂覆光刻胶，去除预备制作CPW传输线、ACPS传输线、传感电极、连接线和压焊块处的光刻胶，通过蒸发方式生长一层Ti/Pt/Au/Ti，采用剥离工艺，初步形成CPW传输线、ACPS传输线和压焊块，完全形成传感电极和连接线；（3）通过等离子增强型化学气相沉积工艺生长一层2300Å厚的Si3N4绝缘介质层，光刻并刻蚀Si3N4绝缘介质层，保留在传感电极和MEMS固支梁下方CPW信号线上的Si3N4绝缘介质层；（4）旋涂一层1600nm厚的聚酰亚胺牺牲层，光刻并刻蚀聚酰亚胺牺牲层，保留预备制作MEMS固支梁下方的聚酰亚胺牺牲层；（5）蒸发用于电镀的种子层钛/金/钛，光刻并去除要电镀地方的光刻胶；（6）在步骤（6）得到的种子层上通过电镀方式生长一层Au，去除不需要电镀区域本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有在线自检测功能的对称型MEMS定向微波功率耦合器，其特征在于：包括GaAs衬底（20），在GaAs衬底（20）上设有CPW传输线（1）、ACPS传输线（2）、对称型定向耦合器（3）、压焊块（13）和电容式MEMS微波功率传感器（4）；所述的对称型定向耦合器（3）位于MEMS定向微波功率耦合器的中间,包括CPW传输线（1）和ACPS传输线（2）；所述的CPW传输线（1）作为MEMS定向微波功率耦合器的端口传输线，其中CPW传输线（1）的信号线构成了对称型定向耦合器（3）的主传输线；所述的ACPS传输线（2）的信号线构成了对称型定向耦合器（3）的副传输线；所述的电容式MEMS微波功率传感器（4）位于对称型定向耦合器的CPW传输线（1）与ACPS传输线（2）连接节点处；每个电容式MEMS微波功率传感器（4）包括MEMS固支梁（15）、CPW传输线（1）、Si

【技术特征摘要】
1.一种具有在线自检测功能的对称型MEMS定向微波功率耦合器，其特征在于：包括GaAs衬底（20），在GaAs衬底（20）上设有CPW传输线（1）、ACPS传输线（2）、对称型定向耦合器（3）、压焊块（13）和电容式MEMS微波功率传感器（4）；所述的对称型定向耦合器（3）位于MEMS定向微波功率耦合器的中间,包括CPW传输线（1）和ACPS传输线（2）；所述的CPW传输线（1）作为MEMS定向微波功率耦合器的端口传输线，其中CPW传输线（1）的信号线构成了对称型定向耦合器（3）的主传输线；所述的ACPS传输线（2）的信号线构成了对称型定向耦合器（3）的副传输线；所述的电容式MEMS微波功率传感器（4）位于对称型定向耦合器的CPW传输线（1）与ACPS传输线（2）连接节点处；每个电容式MEMS微波功率传感器（4）包括MEMS固支梁（15）、CPW传输线（1）、Si3N4绝缘介质层（11）、传感电极（14）、连接线（17）、空气桥（16）和压焊块（13）；所述的每个ME...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志强，孙国琛，韩磊，黄晓东，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32