一种双通道自检测的MEMS微波功率分配器及其制备方法与流程

本发明涉及微波系统电子器件技术领域，具体涉及一种双通道自检测的mems微波功率分配器。

背景技术：

功率分配器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件。将多路信号能量合成一路输出的器件称为功率合成器。随着通讯和物联网行业发展，微波/毫米波器件的需求日益增加，特别是微波功率分配器作为一种微波功率分配与合成的器件，在微波系统中广泛应用。并且，对微波功率分配器的性能和可靠性提出了更高要求。

通过对传统微波功率分配器的应用调研发现，它们在微系统组件中因装配焊接的问题会造成其性能劣化以及长期工作在较大微波功率下易导致隔离电阻的老化等问题，引起其输出不等分，甚至造成器件失效。

因而，迫切需求一种具有在线自检测功能的微波功率分配器，即实时在线监测微波功率分配器的三个端口微波功率大小，且要求微型化、单片集成、无需要额外的功耗等。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种双通道自检测的mems微波功率分配器，通过电容式和热电式双通道能够实时在线检测mems微波功率分配器的两端口是否为等分微波功率或是否发生失配情况，并且在线测量出输入和输出端口处微波功率的比例，从而实现了mems微波功率分配器的实时在线功率自检测。

为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：

一种双通道自检测的mems微波功率分配器，包括：位于砷化镓衬底上的微波功分器、热电式mems微波功率传感器以及三个电容式mems微波功率传感器；所述微波功分器为“t”型对称结构，包括三个端口，所述微波功分器的中间部分设有acps信号线；所述热电式mems微波功率传感器位于所述acps信号线所组成的环形区域内；所述热电式mems微波功率传感器用于测试所述微波功分器输出端的不等分或失配情况；每个所述电容式mems微波功率传感器均通过cpw结构与一个所述端口连接；所述电容式mems微波功率传感器用于测量三个所述端口处微波功率大小。

进一步地，所述微波功分器还包括cpw结构以及第一空气桥，所述cpw结构位于三个端口处，所述cpw结构包括cpw信号线以及地线；所述第一空气桥具有三个，每个所述第一空气桥位于所述微波功分器三个端口处的所述cpw信号线的上方，所述第一空气桥的两端设置在所述cpw信号线两侧的地线上，所述第一空气桥下方的所述cpw信号线上覆盖一层氮化硅绝缘介质层，所述第一空气桥与其下方cpw信号线构成电容。

进一步地，所述端口包括第一端口、第二端口以及第三端口，所述第一端口为输入端，所述第二端口以及所述第三端口为输出端；所述热电式mems微波功率传感器包括隔离电阻、热电堆和衬底薄膜结构，所述隔离电阻设置于所述第二端口以及所述第三端口之间，所述热电堆设置在所述隔离电阻旁，所述衬底薄膜结构设置于所述隔离电阻以及所述热电堆热端下方；所述热电堆包括金属热偶臂、半导体热偶臂、第一金属连接线以及直流输出压焊块，所述金属热偶臂、所述半导体热偶臂以及所述第一金属连接线采用欧姆接触连接，所述直流输出压焊块与所述第一金属连接线连接。

进一步地，所述电容式mems微波功率传感器包括mems固支梁、传感电极、传感电极的压焊块和第二空气桥，所述电容式mems微波功率传感器的端口采用cpw结构与所述微波功分器的端口连接；所述mems固支梁横跨于所述cpw结构之上，所述mems固支梁的锚区位于地线外侧；所述传感电极位于所述mems固支梁的下方，所述传感电极位于所述cpw信号线和所述地线之间，两个传感电极均通过第二金属连接线与所述地线外侧的传感电极的压焊块连接，被第二金属连接线分开的地线通过第二空气桥连接，在第二空气桥下方第二金属连接线上覆盖一层氮化硅绝缘介质层。

进一步地，所述acps信号线呈圆形结构，且所述acps信号线的拐角处均采用圆角设计。

进一步地，所述隔离电阻的材质为氮化钽，所述隔离电阻的方块电阻为25±1ω/□，所述隔离电阻的电阻为100±1ω。

本发明还提供了一种以上任何一种所述基于电容式和热电式双通道自检测的mems微波功率分配器的使用方法，包括如下步骤：s10提供砷化镓衬底，采用光刻、刻蚀以及隔离砷化镓，形成半导体热偶臂；s20采用光刻、溅射以及剥离工艺，形成热电堆的金属热偶臂；s30采用光刻、溅射氮化钽、剥离工艺，形成隔离电阻；s40采用光刻、蒸发第一层金、剥离，初步形成cpw结构、acps信号线、第一金属连接线、第二金属连接线、传感电极、传感电极的压焊块和直流输出压焊块；s50淀积氮化硅绝缘介质层，光刻并刻蚀氮化硅绝缘介质层，淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层；s60依次蒸发钛、金、钛金属，采用光刻工艺及反刻工艺，完全形成cpw结构、acps信号线、mems固支梁、第一空气桥、第二空气桥、传感电极、传感电极的压焊块、直流输出压焊块、第一金属连接线和第二金属连接线；以及s70将该砷化镓衬底光刻并刻蚀，形成衬底薄膜结构，释放聚酰亚胺牺牲层。

进一步地，所述衬底为外延n⁺重掺杂砷化镓，掺杂量级为1*10¹⁸cm^-3。

进一步地，所述隔离电阻的方块电阻为25±1欧姆/方块，所述隔离电阻的电阻为100±1ω。

进一步地，所述cpw结构包括cpw信号线以及地线。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)通过电容式和热电式双通道能够实时在线检测mems微波功率分配器的两端口是否为等分微波功率或是否发生失配情况，并且在线测量出输入和输出端口处微波功率的比例，从而实现了mems微波功率分配器的实时在线功率自检测。

(2)在结构中，采用圆形的acps信号线，有利于减小结构尺寸；在微波功分器中的三个端口处相应增加三个空气桥，这些空气桥具有电容补偿效应，能够缩短acps信号线的物理长度，减小微波功率分配器的结构尺寸，从而实现基于电容式和热电式双通道自检测的mems微波功率分配器的微型化。

(3)在acps信号线的拐角处均采用圆角，改善了acps信号线的连续性，削弱了acps信号线的拐角对微波性能的影响，从而使其具有较小的微波损耗。

(4)mems微波功率分配器采用全无源结构构成，具有零的直流功耗。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。

图1所示为本发明一实施例的双通道自检测的mems微波功率分配器的示意图；

图2所示为图1a-a方向的剖面图；

图3所示为图1b-b方向的剖面图；

图4所示为本发明一实施例的热电式mems微波功率传感器结构放大图；

图5所示为本发明一实施例的电容式mems微波功率传感器结构放大图；

图6所示为本发明一实施例的双通道自检测的mems微波功率分配器制备方法流程图。

附图标记

微波功分器1、acps信号线11、cpw结构12、cpw信号线121、地线122、第一空气桥13、第一端口14、第二端口15、第三端口16、电容式mems微波功率传感器2、传感电极21、传感电极的压焊块22、mems固支梁23、锚区231、第二空气桥24、第二金属连接线25、热电式mems微波功率传感器3、隔离电阻31、热电堆32、金属热偶臂321、半导体热偶臂322、第一金属连接线323、直流输出压焊块324、衬底薄膜结构33、砷化镓衬底4、氮化硅绝缘介质层5。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～图5所示，本发明的双通道自检测的mems微波功率分配器，包括微波功分器1、三个电容式mems微波功率传感器2、热电式mems微波功率传感器3以及砷化镓衬底4。所述微波功分器1、三个所述电容式mems微波功率传感器2以及所述热电式mems微波功率传感器3分别位于所述砷化镓衬底4上。

所述微波功分器1为“t”型对称结构，呈对称设置，有利于微波探针台对芯片测试时施加探针。所述微波功分器1包括acps信号线11、cpw结构12以及第一空气桥13。所述acps信号线11设于所述微波功分器1的中部。所述cpw结构12位于三个端口处，所述cpw结构12包括cpw信号线121以及地线122。所述第一空气桥13具有三个，每个所述第一空气桥13位于所述微波功分器1三个端口处的所述cpw信号线121的上方，所述第一空气桥13的两端固定在该cpw信号线121两侧的地线122上，所述第一空气桥13下方的cpw信号线上121覆盖一层氮化硅绝缘介质层5，所述第一空气桥13一方面实现微波功率分配器的共地平面，另一方面所述第一空气桥13与其下方cpw信号线121构成电容。该电容能够补偿所述微波功分器1的电长度，缩短acps信号线11的物理长度，从而减小mems微波功率分配器1的结构尺寸。所述acps信号线11呈圆形结构，且所述acps信号线11的拐角处均采用圆角设计，改善了acps信号线11的连续性，降低了acps信号线11的拐角对微波性能的影响。所述cpw结构12、所述acps信号线11、所述第一空气桥13的材质优选金属金。

所述端口包括第一端口14、第二端口15以及第三端口16，所述第一端口14为输入端，所述第二端口15以及所述第三端口16为输出端。

每个所述电容式mems微波功率传感器2均通过cpw结构12与一个所述端口连接。所述电容式mems微波功率传感器2用于测量三个所述端口处微波功率大小。所述电容式mems微波功率传感器2包括传感电极21、传感电极的压焊块22、mems固支梁23和第二空气桥24，所述电容式mems微波功率传感器2的端口采用cpw结构12与所述微波功分器1的端口连接，所述mems固支梁23横跨于所述cpw结构之上，所述mems固支梁23的锚区231位于地线外侧，所述传感电极21位于所述mems固支梁23的下方，所述传感电极21位于所述cpw信号线121和所述地线122之间，两个传感电极21均通过第二金属连接线25与地线外侧的传感电极的压焊块22连接，被金属连接线25分开的地线通过第二空气桥24连接，在第二空气桥24下方第二金属连接线25上覆盖一层氮化硅绝缘介质层5。所述第二空气桥24、第二金属连接线25、所述mems固支梁23、所述锚区231、传感电极21、传感电极的压焊块22的材质优选金属金。

所述热电式mems微波功率传感器3位于所述acps信号线11所组成的环形区域内；所述热电式mems微波功率传感器3用于测试所述微波功分器1输出端的不等分或失配情况；所述热电式mems微波功率传感器3包括隔离电阻31、热电堆32和衬底薄膜结构33，所述隔离电阻31设置于所述第二端口15以及所述第三端口16之间，所述热电堆32设置在所述隔离电阻31旁，所述衬底薄膜结构33设置于所述隔离电阻31以及所述热电堆32热端下方。所述隔离电阻31的材质为氮化钽，所述隔离电阻31方块电阻为25±1欧姆/方块，所述隔离电阻31的电阻为100±1ω。所述热电堆32包括金属热偶臂321、半导体热偶臂322、第一金属连接线323以及直流输出压焊块324，所述金属热偶臂321、所述半导体热偶臂322以及所述第一金属连接线323采用欧姆接触连接，所述直流输出压焊块324与所述第一金属连接线323连接。所述第一金属连接线323、所述直流输出压焊块324的材质优选金属金。

本实施例双通道自检测mems微波功率分配器自检测过程如下：

输入微波功率经过一电容式mems微波功率传感器2，传输到微波功分器1的输入端即所述第一端口14，然后经过微波功分器1中的cpw信号线121和acps信号线11传输后，输入微波功率被分成两部分微波功率，这两部分微波功率分别传输到微波功分器1输出端即第二端口15以及第三端口16，最后分别经过电容式mems微波功率传感器2，完成微波功率的一分二输出。当微波功率经过电容式mems微波功率传感器2时，在mems固支梁23和传感电极21之间产生静电力，引起mems固支梁23和传感电极21之间的电容发生变化，通过测量mems固支梁23和传感电极21之间电容值可得输入或输出的微波功率量的大小。电容式mems微波功率传感器2是基于微波功率-力-电原理，因而其更适于较大微波功率的检测。当mems微波功率分配器1的两端输出不等分微波功率或发生失配时，微波功分器1的隔离电阻31会发热，引起热电堆32的冷热两端存在温差，基于塞贝克效应，热电堆32将热转化为直流热电压，通过测量热电堆32上的热电压，即可实时在线检测mems微波功率分配器的两端口是否为等分微波功率或是否发生失配情况。因此，通过热电式mems微波功率传感器3可判断器件的两端输出不等分或失配情况，而通过对电容式mems微波功率传感器2能够测量出三个端口处微波功率的大小，从而实现了基于电容式和热电式的mems微波功率分配器的双通道在线微波功率自检测。

本发明实施例还提供了基于以上双通道自检测的mems微波功率分配器的制备方法，如图6所示，包括如下步骤：s10提供砷化镓衬底，采用光刻、刻蚀以及隔离砷化镓，形成半导体热偶臂；s20采用光刻、溅射以及剥离工艺，形成热电堆的金属热偶臂；s30采用光刻、溅射氮化钽、剥离工艺，形成隔离电阻；s40采用光刻、蒸发第一层金、剥离，初步形成cpw结构、acps信号线、第一金属连接线、第二金属连接线、传感电极、传感电极的压焊块和直流输出压焊块；s50淀积氮化硅绝缘介质层，光刻并刻蚀氮化硅绝缘介质层，淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层；s60依次蒸发钛、金、钛金属，采用光刻工艺及反刻工艺，完全形成cpw结构、acps信号线、mems固支梁、第一空气桥、第二空气桥、传感电极、传感电极的压焊块、直流输出压焊块、第一金属连接线和第二金属连接线；以及s70将该砷化镓衬底光刻并刻蚀，形成衬底薄膜结构，释放聚酰亚胺牺牲层。

所述步骤s10包括如下步骤：s11准备砷化镓衬底：选用外延的半绝缘砷化镓作为衬底，其中外延n⁺砷化镓的掺杂浓度为重掺杂，其量级约为1*10¹⁸cm^-3；s12光刻、刻蚀和隔离外延的n⁺砷化镓，形成热电堆的半导体热偶臂和欧姆接触区。

所述步骤s20包括如下步骤：s21光刻:去除将要保留金锗镍/金地方的光刻胶；s22溅射金锗镍/金，其厚度为s23剥离，形成热电堆的金属热偶臂。

所述步骤s30包括如下步骤：s31反刻n+砷化镓，以增大热电堆的电阻值；s32光刻:去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；s33溅射氮化钽，其厚度为1μm；s34剥离，形成隔离电阻，其方块电阻为25欧姆/方块。

所述步骤s40包括如下步骤：s41光刻:去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；s42蒸发第一层金，其厚度为s43剥离，初步形成cpw、acps信号线、第一金属连接线、第二金属连接线、传感电极、传感电极的压焊块和直流输出压焊块。

所述步骤s50包括如下步骤：s51淀积氮化硅：用等离子体增强型化学气相淀积法工艺(pecvd)生长一层氮化硅绝缘介质层，其厚度为0.23μm；s52光刻并刻蚀氮化硅绝缘介质层：保留在mems固支梁下方cpw、传感电极上的氮化硅绝缘介质层和空气桥下方cpw信号线上的氮化硅绝缘介质层；s53淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在砷化镓衬底上涂覆1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满凹坑，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了mems固支梁和空气桥与其下方cpw信号线上氮化硅绝缘介质层之间的距离；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留mems固支梁和空气桥下方的牺牲层。

所述步骤s60包括如下步骤：s61蒸发钛/金/钛：蒸发用于电镀的底金；s62光刻:去除要电镀地方的光刻胶；s63电镀金，其厚度为2μm；s64去除光刻胶:去除不需要电镀地方的光刻胶；s65反刻钛/金/钛，完全形成cpw、acps信号线、mems固支梁、空气桥、传感电极、传感电极的压焊块、直流输出压焊块和金属连接线。

所述步骤s70包括如下步骤：s71将该砷化镓衬底背面减薄；s72背面光刻并刻蚀：刻蚀掉终端匹配电阻和热电堆的热端下方的砷化镓衬底，保留小于20μm的衬底薄膜结构；s73释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除mems固支梁和空气桥下的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。

以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。