[发明专利]Si基微机械悬臂梁耦合直接加热式毫米波信号检测器

说明书

本发明的Si基微机械悬臂梁耦合直接加热式毫米波信号检测器，结构由悬臂梁耦合结构、功率合成/分配器、直接加热式微波功率传感器和开关构成。悬臂梁耦合结构包括两组悬臂梁，每组悬臂梁由两个对称的悬臂梁构成，两个悬臂梁之间CPW传输线的电长度在所测信号频率范围内的中心频率35GHz处为λ/4。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。

技术领域

本发明提出了一种Si基微机械悬臂梁耦合直接加热式毫米波信号检测器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。

背景技术

长为1～10毫米的电磁波称为毫米波，处于较高的微波频段，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着重要研究价值。功率、频率和相位作为微波信号的三大参数，其检测是电磁测量的重要组成部分，在微波技术的应用中发挥着十分关键的作用。结构小型化和多功能集成是未来信号检测系统的发展趋势，随着MEMS技术的不断成熟，很多信号检测器件成功实现了小型化，比如微波功率传感器、微波相位检测器以及微波频率检测器。在此基础上，在同一芯片上实现三种信号检测的集成系统具有重要意义。

发明内容

技术问题:

本发明的目的是提供一种Si基微机械悬臂梁耦合直接加热式毫米波信号检测器，利用直接式微波功率传感器实现毫米波功率的检测，通过悬臂梁耦合结构耦合部分待测信号，分别进行毫米波频率和相位的检测，实现了功率、频率和相位的集成检测，具有结构简单、版图面积小的优点。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出了一种Si基微机械悬臂梁耦合直接加热式毫米波信号检测器。该信号检测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。

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。

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。