无线接收式微电子机械微波功率传感器及其制备方法技术

无线接收式微电子机械微波功率传感器及其制备方法是一种利用共面波导天线（１）接收微波功率从而引起电阻发热，通过热电偶测出微波信号幅度的传感器及其制备方法。该传感器是在砷化镓衬底（８）上，形成共面波导天线（１），共面波导天线（１）再与共面波导传输线（４）连接从而传输微波信号，在共面波导传输线（４）终端有两个并联的电阻作为微波负载电阻（５），负载电阻（５）通过发热引起其右端热电堆（７）的发热，热电堆（７）由于发热的不均而产生了冷热节点，形成温度差，该温差由于赛贝克效应在热电堆的两个输出端产生直流电压由两个压焊块（６）输出，而该输出热电压与输入的待测微波功率成正比，测量这个电压便可以得出微波功率的数值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是利用具有寄生单元贴片和U型槽的共面波导天线接收微波功率，将微波功率通过共面波导传输给终端电阻，使用热堆测量电阻的发热量并转换为热电势输出，从而实现微波功率的测量，属于微电子机械系统领域。
技术介绍
在微波研究中，微波功率是表征微波信号特征的一个重要参数。在微波无线应用和测量技术中，微波功率的探测是一个非常重要的部分。传统的功率计采用波导形式的功率传感器，以铋-锑作为热电偶，采用同轴电缆等微波传输线作为微波信号的输入连接装置，不能实现微波功率的直接接收。近20多年来，随着微电子机械(MEMS)技术的飞速发展，国外提出了基于此技术的终端加热式微波功率传感器，原理是利用终端电阻吸收输入待测的微波功率而发热，并通过放置在微波终端电阻附近的热电偶探测终端电阻附近的温差得到微波功率的大小，这种类型的微波功率传感器具有结构简单、体积小、性能较为优良、与硅(Si)工艺或砷化镓(GaAS)工艺相兼容等优点，本专利技术即为基于此工作原理的传感器。
技术实现思路
技术问题本专利技术的目的是提供一种全新的、能够直接接收外界微波信号的，利用传感器前端的共面波导天线结构，大大提高微波功率测量的灵活性。技术方案本专利技术的无线接收式微电子机械微波功率传感器，以砷化镓为衬底，在砷化镓衬底上有一层铝镓砷薄膜，在铝镓砷薄膜上面有一层共面波导天线，天线上有一段被刻蚀掉的U型槽，在天线两边各有一个寄生单元贴片，共面波导天线末端与共面波导传输线连接，在共面波导传输线终端有两个并联的负载电阻，在负载电阻的外侧对应设有热电堆，热电堆的两端通过导线与两个压焊块相连接。该传感器的制备方法为a)准备砷化镓衬底，使用未掺杂的半绝缘砷化镓，厚度为500μm，b)外延生长铝镓砷薄膜，用作腐蚀自停止层，厚度为1000，c)外延生长n型砷化镓，生长范围为热电堆部分，厚度为0.25μm，d)溅射金锗镍/金，溅射范围为热电堆部分，金锗镍/金的厚度为300/1800，e)淀积并光刻氮化钽形成电阻，淀积及光刻范围为负载电阻部分，厚度为2μm，f)溅射并光刻钛/金/钛，溅射范围为共面波导天线部分、寄生单元贴片部分及共面波导传输线部分，厚度为500/1500/300，g)电镀金，溅射范围为共面波导天线部分、寄生单元贴片(2)部分及共面波导传输线部分，厚度为2μm，h)减薄衬底至100μm，i)背面刻蚀至铝镓砷阻挡层。本专利技术中的无线接收式微波功率传感器以砷化镓为衬底，待测的微波信号用前端的共面波导天线引入，中间部分用渐进线结构完成共面波导天线与传输线的连接，在共面波导传输线的终端接有与其特性阻抗相匹配的负载电阻，使输入的微波信号有效的转化为热量，该热量使放置在终端电阻附近的一组串联热电偶形成的热电堆的一端(热端)温度升高，从而与另一端(冷端)形成温差，由于塞贝克效应在热电堆的两个输出端产生直流电压输出，而该输出电压与输入的待测微波功率成正比，从而实现了微波功率的测量。区分是否为该结构的标准为该结构使用了共面波导天线接收微波信号，通过采用寄生贴片和U型槽相结合的结构实现了超带宽的微波功率接收，最后通过热偶实现微波功率的测量。满足以上结构即为我们所设计的结构。有益效果与国外、国内已出现的间接加热式微波功率传感器相比，这种新型的无线式微波功率传感器结构具有以下显著的优点1、采用前端共面波导接收天线式结构能直接接受外界微波功率而不必像传统的间接加热式微波功率传感器需要在共面波导前端通过转接装置才能实现微波功率的测量。2、共面波导接收天线采用了加入寄生贴片和U型槽的新结构从而大大拓宽了传感器的微波测量频带；3、实现了全方向性测量，即测量方向不受位置的限制；4、通过新颖的渐进线式共面波导结构实现了前端天线和共面波导结构的阻抗匹配，减小了回波损耗；这一系列的优点是已出现的传统功率传感器所无法比拟的，因而，这种具有超频带、全向性、低成本、高可靠性和很强使用灵活性的无线接收式微波功率传感器具有极其重要的应用价值和极为广阔的市场前景。附图说明图1是无线接受式MEMS微波功率传感器正面俯视图。图2是无线接收式MEMS微波功率传感器的A-A面的剖视图。图3是无线接收式MEMS微波功率传感器工艺流程图。图4是无线接收式MEMS微波功率传感器的电压输出图。图中包括共面波导天线1、寄生单元贴片2、U型槽3、共面波导传输线4、终端电阻5、压焊块6、热电偶7、砷化镓衬底8、铝镓砷薄膜9。具体实施方案该传感器以砷化镓为衬底8，在砷化镓衬底8上有一层铝镓砷薄膜9，在铝镓砷薄膜9上面有一层共面波导天线1，天线上有一段被刻蚀掉的U型槽3，在天线两边各有一个寄生单元贴片2，共面波导天线1末端与共面波导传输线4连接，在共面波导传输线4终端有两个并联的负载电阻，在负载电阻5的外侧对应设有热电堆7，热电堆7的两端通过导线与两个压焊块6相连接。本专利技术是通过前端的特殊结构共面波导天线接收来自外界的微波信号，然后通过共面波导将微波信号传递至终端，共面波导的终端用两个匹配电阻完全吸收微波信号转化为热，该热量使放置在共面波导终端电阻附近的一组热电堆(热端)温度升高，从而与另一端(冷端)形成温差，该温差由于赛贝克效应在热电堆的两个输出端产生直流电压输出，而该输出热电压与输入的待测微波功率成正比，从而实现了微波功率的测量。例如频率为10GHz，传感器的GaAs衬底高度为100μm，共面波导中心导带宽度为100μm，狭缝宽度为58μm，热堆长度为500μm，前端天线长度1500μm，采用GaAs单片微波集成电路(MMIC)工艺及MEMS加工工艺相结合来实现无线接收式MEMS微波功率传感器的结构，共需要7次光刻完成微波功率传感器的制作，具体工艺步骤简述如下(1)准备基片；衬底选用的是未掺杂的半绝缘砷化镓衬底。(2)外延生长铝镓砷薄膜，用作腐蚀自停止层；外延生长1000厚的AlGaAs作为腐蚀自停止层。(3)铝镓砷外延层半绝缘化；(4)外延生长砷化镓；外延生长砷化镓的厚度为0.25μm。(5)硼离子注入；(6)砷化镓外延层掺杂浓度为n＝2.7×1017cm-3。(7)砷化镓外延层半绝缘化，形成半导体热偶臂；(8)光刻金锗镍/金；(9)溅射金锗镍/金，剥离，形成金属热偶臂；金锗镍/金的厚度为300/1800。(10)淀积氮化钽；(11)光刻并刻蚀氮化钽，形成终端电阻；(12)淀积氮化硅介质层；生长1000的氮化硅介质层。(13)光刻并刻蚀氮化硅介质层；(14)溅射钛/金/钛；溅射用于电镀的底金钛/金/钛＝500/1500/300。(15)光刻钛/金/钛；保留不需要电镀地方的光刻胶。(16)电镀金；(形成共面波导和金属引线)电镀金的厚度为2μm，(17)去除光刻胶； (18)反刻金层，腐蚀底金层，(19)衬底减薄至100μm；(20)背面光刻并刻蚀，形成铝镓砷膜；1000厚的铝镓砷外延层作为腐蚀自停止层，用来形成铝镓砷膜。权利要求1.一种无线接收式微电子机械微波功率传感器，其特征在于该传感器以砷化镓为衬底(8)，在砷化镓衬底(8)上有一层铝镓砷薄膜(9)，在铝镓砷薄膜(9)上面有一层共面波导天线(1)，天线上有一段被刻蚀掉的U型槽(3)，在天线两边各有一个寄生单元贴片(2)，共面波导天线(1)末端与共面波导传输线(4)连本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线接收式微电子机械微波功率传感器，其特征在于该传感器以砷化镓为衬底（８），在砷化镓衬底（８）上有一层铝镓砷薄膜（９），在铝镓砷薄膜（９）上面有一层共面波导天线（１），天线上有一段被刻蚀掉的Ｕ型槽（３），在天线两边各有一个寄生单元贴片（２），共面波导天线（１）末端与共面波导传输线（４）连接，在共面波导传输线（４）终端有两个并联的负载电阻，在负载电阻（５）的外侧对应设有热电堆（７），热电堆（７）的两端通过导线与两个压焊块（６）相连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：廖小平，田涛，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]