CN103326668A - 基于微机械固支梁电容式功率传感器的倍频器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于微机械固支梁电容式功率传感器的倍频器及制备方法，包括衬底、设置在衬底上的共面波导信号线、两对MEMS固支梁结构、功合器、终端匹配电阻和MEMS固支梁结构电容式功率传感器，以及外接电容三点式压控振荡器和除法器。通过功合器将输入信号和经除法器进行频率改变处理后的压控振荡器输出信号进行矢量合成，直接反映在MEMS固支梁结构电容式功率传感器中的第三固支梁与传感电极之间电容的变化上并作为控制压控振荡器的可变电容，从而控制输出信号频率，再经除法器对压控振荡器输出信号频率进行频率改变处理再反馈，直至***锁定，达到倍频作用。本发明不但易于模块化、集成化，而且相比传统电路，省去了环路滤波器，结构简单、新颖，具有与砷化镓单片微波集成电路兼容的优点。

Description

基于微机械固支梁电容式功率传感器的倍频器及制备方法

技术领域

本发明涉及微电子机械***（MEMS），尤其是基于微机械固支梁电容式功率传感器的倍频器。

背景技术

随着现代电子科学技术的发展，倍频技术已广泛的应用于雷达、电子对抗、通信、数字电视、医疗设备、遥控遥测和电子测量仪器等领域。现代科技的发展对信号源提出了越来越高的要求，要求信号源的频带宽、频率分辨率高、频率稳定度高、相位噪声和杂散很低、能程控等。而且锁相环的基本部件如鉴相器和压控振荡器等又都易于模块化集成化，使得电路设计变得容易，电路实现起来也相对简单。直接利用锁相环模块来设计频率合成器，降低了设计难度和***调试难度，节约了时间成本。近年来，随着MEMS技术的快速发展，利用微电子机械***制成倍频器成为可能。

发明内容

要解决的技术问题：根据现有技术的不足，本发明提供一种基于微机械固支梁电容式功率传感器的倍频器，解决现有技术中倍频器设计难度高、***调试难度大、时间成本高等缺陷。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

基于微机械固支梁电容式功率传感器的倍频器，包括衬底、设置在衬底上的共面波导信号线、地线、两对MEMS固支梁结构、功合器、终端匹配电阻和MEMS固支梁结构电容式功率传感器，以及外接电容三点式压控振荡器和除法器，在所述衬底上定义一条对称轴线；

所述地线以对称轴线为中心形成对称分布，包括对称分布于该对称轴线的两条侧边地线和一条位于对称轴线上的中心地线；所述两条侧边地线上各有一个对称分布的缺口；所述共面波导信号线以对称轴线为中心形成对称分布，包括对称分布于该对称轴线的两条输入共面波导信号线和一条位于对称轴线上的输出共面波导信号线；所述两条输入共面波导信号线分别作为输入信号和反馈信号的输入端；所述输出共面波导信号线与侧边地线之间设有终端匹配电阻；

所述功合器以对称轴线为中心形成对称分布，包括对称分布于该对称轴线的两条不对称共面带线信号线和隔离电阻；所述的两条不对称共面带线信号线的输入端通过隔离电阻隔离，且分别与两条输入共面波导信号线相连；所述的两条不对称共面带线信号线的输出端相连后接入所述输出共面波导信号线；所述输出共面波导信号线与侧边地线之间设有终端匹配电阻；

所述两对MEMS固支梁结构分别记为第一对固支梁结构和第二对固支梁结构；所述第一对MEMS固支梁结构包括相对对称轴线对称的两个第一固支梁，所述两个第一固支梁分别横跨在相应侧的输入共面波导信号线的上方，所述第一固支梁的两端分别通过锚区固定在中心地线和同一侧的侧边地线上；所述第二对MEMS固支梁结构包括相对对称轴线对称的两个第二固支梁，所述两个第二固支梁分别通过锚区连接同一侧的侧边地线的缺口两端；

所述MEMS固支梁结构电容式功率传感器，包括一个第三固支梁结构、两个传感电极、两个压焊块；所述第三固支梁结构中的第三固支梁位于所述输出共面波导信号线的上方、第三固支梁的两端分别通过锚区与两侧的侧边地线相连；所述两个传感电极均位于第三固支梁结构下方且对称分布于输出共面波导信号线和对应侧边地线之间，所述传感电极与其上方的第三固支梁之间形成可变电容；所述两个传感电极各自通过一条连接线与其同侧一个压焊块相连，与两个传感电极相连的两条连接线分别穿过两侧的侧边地线的缺口；所述另一个压焊块通过一条连接线与其中一条侧边地线相连；

所述外接电容三点式压控振荡器的两个输入端分别与所述两个压焊块相连；所述外接压控振荡器的输出信号经过除法器后作为反馈信号连接至所述输入共面波导信号线；

在所述第一对MEMS固支梁结构中，第一固支梁对应下方的输入共面波导信号线上覆盖有绝缘介质层；在所述第二对MEMS固支梁结构中，第二固支梁下方的连接线上覆盖有绝缘介质层；在所述MEMS固支梁结构电容式功率传感器中的固支梁结构中，第三固支梁下方的传感电极和输出共面波导信号线上覆盖有绝缘介质层。

所述衬底的材料为砷化镓。所述绝缘介质层的材料为氮化硅。所述隔离电阻和终端匹配电阻的材料为氮化钽。

基于微机械固支梁结构式功率传感器的倍频器的制备方法，包括以下步骤：

1）准备砷化镓衬底：选用外延的半绝缘砷化镓衬底，其中外延N^＋砷化镓的掺杂浓度为10¹⁸cm^-3，其方块电阻值为100～130Ω/□；

2）光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；

3）溅射氮化钽，其厚度为1μm；

4）剥离；

5）光刻：去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；

6）蒸发第一层金，其厚度为0.3μm；

7）剥离，初步形成CPW信号线和地线、ACPS信号线和地线、MEMS固支梁的锚区、传感电极、传感电极的压焊块、输出压焊块以及连接线

8）反刻氮化钽，形成终端电阻和隔离电阻，其方块电阻为25Ω/□；

9）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

厚的氮化硅介质层；

10）光刻并刻蚀氮化硅介质层：保留在MEMS固支梁下方CPW信号线上的氮化硅；

11）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梁与氮化硅介质层所在平面的距离；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留固支梁下方的牺牲层；

12）蒸发钛/金/钛，其厚度为

蒸发用于电镀的底金；

13）光刻：去除要电镀地方的光刻胶；

14）电镀金，其厚度为2μm；

15）去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；

16）反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成CPW信号线、地线、ACPS信号线、MEMS固支梁、压焊块和金属连接线；

17）将该砷化镓衬底背面减薄至100μm；

18）释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS固支梁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。

有益效果：本发明的基于微机械固支梁电容式功率传感器的倍频器及制备方法，通过功合器可将输入信号和经除法器进行频率改变处理后的压控振荡器输出信号进行矢量合成，由MEMS固支梁结构电容式功率传感器检测合成后的信号的功率大小，直接地反映在MEMS固支梁结构电容式功率传感器中的第三固支梁与传感电极之间电容的变化上。用MEMS固支梁结构电容式功率传感器的第三固支梁与传感电极之间电容取代电容式压控振荡器的可变电容，控制压控振荡器的输出信号频率。输入信号与反馈信号之间的相位差就可以改变压控振荡器可变电容的大小，从而控制输出信号的频率。在反馈链路上，用除法器将压控振荡器输出信号频率进行频率改变处理再反馈到输入共面波导信号线上，直至***锁定，这样整个电路达到倍频作用。基于微机械固支梁结构电容式功率传感器的倍频器不但易于模块化、集成化，而且相比传统电路，省去了环路滤波器，结构简单、新颖，具有与砷化镓单片微波集成电路兼容的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A-A’向视图；

图3为图1的B-B’向视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示：基于微机械固支梁电容式功率传感器的倍频器，包括材料为砷化镓的衬底1、设置在衬底1上的共面波导信号线2、地线3、两对MEMS固支梁结构、功合器、终端匹配电阻9和MEMS固支梁结构电容式功率传感器，以及外接电容三点式压控振荡器和除法器。在所述衬底1上定义一条对称轴线：

所述地线3以对称轴线为中心形成对称分布，包括对称分布于该对称轴线的两条侧边地线和一条位于对称轴线上的中心地线；所述两条侧边地线上各有一个对称分布的缺口；所述共面波导信号线以对称轴线为中心形成对称分布，包括对称分布于该对称轴线的两条输入共面波导信号线和一条位于对称轴线上的输出共面波导信号线；所述两条输入共面波导信号线分别作为输入信号和反馈信号的输入端；所述输出共面波导信号线与侧边地线之间设有终端匹配电阻9，其材料为氮化钽，可完全吸收由输入共面波导信号线传输的信号功率，并转换为热量；

所述功合器以对称轴线为中心形成对称分布，包括对称分布于该对称轴线的两条不对称共面带线信号线8和隔离电阻7；所述的两条不对称共面带线信号线8的输入端通过材料为氮化钽的隔离电阻7隔离，且分别与两条输入共面波导信号线相连；所述的两条不对称共面带线信号线8的输出端相连后接入所述输出共面波导信号线；功合器的作用是将输入共面波导信号线传输的信号进行矢量合成，并将合成后的信号传导到MEMS固支梁结构电容式功率传感器；

所述两对MEMS固支梁结构分别记为第一对固支梁结构和第二对固支梁结构；所述第一对MEMS固支梁结构包括相对对称轴线对称的两个第一固支梁41，所述两个第一固支梁41分别横跨在相应侧的输入共面波导信号线的上方，所述第一固支梁41的两端分别通过锚区5固定在中心地线和同一侧的侧边地线上，所述第一固支梁41对应下方的输入共面波导信号线上覆盖有材料为氮化硅的绝缘介质层6，第一固支梁41和下方的输入共面波导信号线构成补偿电容，该补偿电容的设计可以在实现电路阻抗匹配的同时缩小功合器的尺寸，提高集成度；所述第二对MEMS固支梁结构包括相对对称轴线对称的两个第二固支梁42，所述两个第二固支梁42分别通过锚区5连接同一侧的侧边地线的缺口两端；两对MEMS固支梁对称地将孤立的地线连接起来。

所述MEMS固支梁结构电容式功率传感器，包括一个第三固支梁结构、两个传感电极10、两个压焊块12；所述第三固支梁结构中的第三固支梁43位于所述输出共面波导信号线的上方、第三固支梁43的两端分别通过锚区5与两侧的侧边地线相连；所述两个传感电极10均位于第三固支梁结构下方且对称分布于输出共面波导信号线和对应侧边地线之间，第三固支梁43下方的传感电极10和输出共面波导信号上覆盖有材料为氮化硅的绝缘介质层6，所述传感电极10与其上方的第三固支梁43之间形成可变电容；所述两个传感电极10各自通过一条连接线11与其同侧压焊块12相连，与两个传感电极10相连的两条连接线11分别穿过两侧的侧边地线的缺口，且位于第三固支梁下方即缺口处的连接线上覆盖有材料为氮化硅的绝缘介质层6；所述另一个压焊块12通过一条连接线11与其中一条侧边地线相连；

所述外接电容三点式压控振荡器的两个输入端原本用于接入可变电容，现将该外接电容三点式压控振荡器的两个输入端分别与所述两个压焊块12相连；实现将传感电极10与其上方的第三固支梁43之间所形成的可变电容取代电容式压控振荡器的可变电容直接接入压控振荡器控制其输出信号频率，且压控振荡器的输入量为直流量，省去了传统锁相环的环路滤波器；

所述外接电容三点式压控振荡器的输出信号经过除法器进行频率改变处理后作为反馈信号连接至所述输入共面波导信号线。这样输入信号与反馈信号之间的相位差就可以改变压控振荡器可变电容的大小，从而调制输出信号的频率，进而通过压控振荡器和除法器重新反馈到共面波导信号线，直至整个装置锁定，最终达到整个电路倍频的作用。

工作时，共面波导信号线用于实现微波信号的传输，通过功合器可将输入信号和经除法器进行频率改变处理后的压控振荡器输出信号进行矢量合成，功合器的输出端接有MEMS固支梁结构电容式功率传感器，由MEMS固支梁结构电容式功率传感器检测合成后的信号的功率大小，直接地反映在MEMS固支梁结构电容式功率传感器中的第三固支梁43与传感电极10之间电容的变化上。用MEMS固支梁结构电容式功率传感器的第三固支梁43与传感电极10之间电容作为一个可变电容应用于外接电容三点式压控振荡器，控制压控振荡器的输出信号频率。输入信号与输出信号之间的相位差就可以改变压控振荡器可变电容的大小，从而控制输出信号的频率。在反馈链路上，用除法器将压控振荡器输出信号频率进行频率改变处理再反馈到共面波导信号线上，直至***锁定，这样整个电路达到倍频作用。

基于微机械固支梁电容式功率传感器的倍频器的制备方法，包括以下步骤：

1）准备砷化镓衬底：选用外延的半绝缘砷化镓衬底，其中外延N^＋砷化镓的掺杂浓度为10¹⁸cm^-3，其方块电阻值为100～130Ω/□；

2）光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；

3）溅射氮化钽，其厚度为1μm；

4）剥离；

5）光刻：去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；

6）蒸发第一层金，其厚度为0.3μm；

7）剥离，初步形成CPW信号线和地线、ACPS信号线和地线、MEMS固支梁的锚区、传感电极、传感电极的压焊块、输出压焊块以及连接线

8）反刻氮化钽，形成终端电阻和隔离电阻，其方块电阻为25Ω/□；

9）淀积氮化硅：用等离子体增强型化学气相淀积法工艺（PECVD）生长厚的氮化硅介质层；

10）光刻并刻蚀氮化硅介质层：保留在MEMS固支梁下方CPW信号线上的氮化硅；

11）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梁与氮化硅介质层所在平面的距离；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留固支梁下方的牺牲层；

12）蒸发钛/金/钛，其厚度为

蒸发用于电镀的底金；

13）光刻：去除要电镀地方的光刻胶；

14）电镀金，其厚度为2μm；

15）去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；

16）反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成CPW信号线、地线、ACPS信号线、MEMS固支梁、压焊块和金属连接线；

17）将该砷化镓衬底背面减薄至100μm；

18）释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS固支梁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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于微机械固支梁电容式功率传感器的倍频器，其特征在于：包括衬底（1）、设置在衬底（1）上的共面波导信号线（2）、地线（3）、两对MEMS固支梁结构、功合器、终端匹配电阻（9）和MEMS固支梁结构电容式功率传感器，以及外接电容三点式压控振荡器和除法器，在所述衬底（1）上定义一条对称轴线； 

所述地线（3）以对称轴线为中心形成对称分布，包括对称分布于该对称轴线的两条侧边地线和一条位于对称轴线上的中心地线；所述两条侧边地线上各有一个对称分布的缺口；所述共面波导信号线（2）以对称轴线为中心形成对称分布，包括对称分布于该对称轴线的两条输入共面波导信号线和一条位于对称轴线上的输出共面波导信号线；所述两条输入共面波导信号线分别作为输入信号和反馈信号的输入端；所述输出共面波导信号线与侧边地线之间设有终端匹配电阻（9）； 

所述功合器以对称轴线为中心形成对称分布，包括对称分布于该对称轴线的两条不对称共面带线信号线（8）和隔离电阻（7）；所述的两条不对称共面带线信号线（8）的输入端通过隔离电阻（7）隔离，且分别与两条输入共面波导信号线相连；所述的两条不对称共面带线信号线（8）的输出端相连后接入所述输出共面波导信号线； 

所述两对MEMS固支梁结构分别记为第一对固支梁结构和第二对固支梁结构；所述第一对MEMS固支梁结构包括相对对称轴线对称的两个第一固支梁（41），所述两个第一固支梁（41）分别横跨在相应侧的输入共面波导信号线的上方，所述第一固支梁（41）的两端分别通过锚区（5）固定在中心地线和同一侧的侧边地线上；所述第二对MEMS固支梁结构包括相对对称轴线对称的两个第二固支梁（42），所述两个第二固支梁（42）分别通过锚区（5）连接同一侧的侧边地线的缺口两端； 

所述MEMS固支梁结构电容式功率传感器，包括一个第三固支梁结构、两个传感电极（10）、两个压焊块（12）；所述第三固支梁结构中的第三固支梁（43）位于所述输出共面波导信号线的上方、第三固支梁（43）的两端分别通过锚区（5）与两侧的侧边地线相连；所述两个传感电极（10）均位于第三固支梁结构下方且对称分布于输出共面波导信号线和对应侧边地线之间，所述传感电极（10）与其上方的第三固支梁（43）之间形成可变电容；所述两个传感电极（10）各自通过一条连接线（11）与其同侧一个压焊块（12）相连，与两个传感电极（10）相连的两条连接线（11）分别穿过两侧的侧边地线的缺口；所述另一个压焊块（12）通过一条连接线（11）与其中一条侧边地线相连； 

所述外接电容三点式压控振荡器的两个输入端分别与所述两个压焊块（12）相连；所述外接压控振荡器的输出信号经过除法器后作为反馈信号连接至所述输入共面波导信号线。 

2.根据权利要求1所述的基于微机械固支梁电容式功率传感器的倍频器，其特征 在于：在所述第一对MEMS固支梁结构中，第一固支梁（41）对应下方的输入共面波导信号线上覆盖有绝缘介质层（6）；在所述第二对MEMS固支梁结构中，第二固支梁（42）下方的连接线（11）上覆盖有绝缘介质层（6）；在所述MEMS固支梁结构电容式功率传感器中的固支梁结构中，第三固支梁（43）下方的传感电极（10）和输出共面波导信号线上覆盖有绝缘介质层（6）。 

3.根据权利要求1所述的基于微机械固支梁电容式功率传感器的倍频器，其特征在于：所述衬底（1）的材料为砷化镓。 

4.根据权利要求1所述的基于微机械固支梁电容式功率传感器的倍频器，其特征在于：所述隔离电阻（7）和终端匹配电阻（9）的材料为氮化钽。 

5.根据权利要求1所述的基于微机械固支梁电容式功率传感器的倍频器，其特征在于：所述绝缘介质层（6）的材料为氮化硅。 

6.基于微机械固支梁电容式功率传感器的倍频器的制备方法，包括以下步骤： 

1）准备砷化镓衬底：选用外延的半绝缘砷化镓衬底，其中外延N^＋砷化镓的掺杂浓度为10¹⁸cm^-3，其方块电阻值为100～130Ω/□； 

2）光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶； 

3）溅射氮化钽，其厚度为1μm； 

4）剥离； 

5）光刻：去除将要保留第一层金的地方的光刻胶； 

6）蒸发第一层金，其厚度为0.3μm； 

7）剥离，初步形成CPW信号线和地线、ACPS信号线和地线、MEMS固支梁的锚区、传感电极、传感电极的压焊块、输出压焊块以及连接线 

8）反刻氮化钽，形成终端电阻和隔离电阻，其方块电阻为25Ω/□； 

9）淀积氮化硅：用等离子体增强型化学气相淀积法工艺生长

厚的氮化硅介质层； 

10）光刻并刻蚀氮化硅介质层：保留在MEMS固支梁下方CPW信号线上的氮化硅； 

11）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梁与氮化硅介质层所在平面的距离；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留固支梁下方的牺牲层； 

12）蒸发钛/金/钛，其厚度为

蒸发用于电镀的底金； 

13）光刻：去除要电镀地方的光刻胶； 

14）电镀金，其厚度为2μm； 

15）去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶； 

16）反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成CPW信号线、地线、ACPS信号线、MEMS固支梁、压焊块和金属连接线； 

17）将该砷化镓衬底背面减薄至100μm； 

18）释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS固支梁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。 

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