[发明专利]呈90°角四输入微电子机械微波功率传感器及制备方法

说明书

技术领域

本发明提出了呈90o角四输入微电子机械微波功率传感器及制备方法，属于微电子机械系统（MEMS）的技术领域。

背景技术

在微波技术研究中，微波功率是表征微波信号特征的一个重要参数，微波功率的测量在无线应用和测量技术中具有非常重要的地位。目前，基于二极管的微波功率传感器是被广泛应用测量功率的器件之一，其利用二极管电流—电压曲线的非线性及整流特性，将微波信号转换为低频信号，在平方率区该低频信号与输入的微波功率成比例。它具有动态范围和速度快等优点，然而测量精度低且测量高功率时需要额外的衰减器等缺点。随着MEMS技术的快速发展，并对MEMS技术的深入研究，使基于MEMS技术实现微波功率测量的呈90o角四输入微波功率传感器成为可能。本发明是基于此工作原理的微波功率传感器。

发明内容

技术问题：本发明提供一种基于MEMS技术的呈90o角四输入微波功率传感器及制备方法，通过对称放置四个共面波导（CPW），它们相互之间呈90o的角，在每个共面波导的输出端连接两个终端匹配电阻，每个终端匹配电阻附近有一个热电偶，将这四对热电偶也成对称放置并串联连接形成热电堆，这四对热电偶相互之间也同样呈90o的角，从而实现四输入微波功率的测量；它大大减小了芯片面积，提高了集成度。

技术方案：本发明的呈90o角四输入微电子机械微波功率传感器以砷化镓（GaAs）为衬底，在衬底上设有四个CPW、八个终端匹配电阻、一个由八个热电偶构成四对热电偶而组成的热电堆、两个输出压焊块、一个金属散热片以及连接线，在衬底下形成一个MEMS衬底膜结构：

CPW用于实现微波信号的传输，采用金材料。每个CPW由一条CPW的信号线和两条CPW的地线组成。

终端匹配电阻采用氮化钽材料制成，完全吸收由CPW输入端传输的微波功率，并转换为热量。

热电堆是由八个热电偶构成四对热电偶而组成，所述热电偶包括半导体热偶臂和金属热偶臂，采用金和轻掺杂的砷化镓材料构成。每个热电偶靠近一个终端匹配电阻，但不与该终端匹配电阻连接；热电堆靠近终端电阻的一端吸收到这种热量，并引起这端温度的升高，即为热电堆的热端，然而热电堆的另一端的温度被作为环境温度，即为热电堆的冷端，由于热电堆热冷两端温度的不同，根据Seebeck效应，在热电堆的输出压焊块上产生热电势的输出。

热电偶之间以及热电堆与输出压焊块之间通过连接线实现连接。

金属散热片采用金材料制成，被热电堆的冷端环绕，用于维持热电堆的冷端温度为环境温度，从而提高热电堆热冷两端的温差。

为了提高热量由终端电阻向热电堆的热端传输的效率，进而提高热电堆两端的温差，以提高微波功率传感器的灵敏度，可以将终端电阻和热电堆的热端下方的砷化镓衬底通过MEMS背面刻蚀技术刻蚀减薄，形成衬底膜结构。

在机械结构上，CPW、终端匹配电阻、热电堆、输出压焊块、金属散热片以及连接线制作在同一块GaAs衬底上。

本发明的呈90o角四输入微电子机械微波功率传感器通过对称放置四个CPW，它们相互之间呈90o的角，在每个CPW的输出端连接两个终端匹配电阻，每个终端匹配电阻附近有一个热电偶，将这四对热电偶也成对称放置并串联连接形成热电堆，这四对热电偶相互之间也同样呈90o的角，从而实现四输入微波功率的测量。当一个、两个、三个或者四个待测的微波信号分别通过一个、两个、三个或者四个CPW输入端引入时，在其CPW输出端并联的终端匹配电阻分别吸收这些微波功率而产生热量，使终端电阻周围的温度升高，放置在该终端电阻附近的热电偶分别测量其温度差，基于Seebeck效应，在热电堆的输出压焊块上产生热电势的输出，从而实现单输入、双输入、三输入或者四输入微波功率的测量。

呈90o角四输入微电子机械微波功率传感器的制备方法为：

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

2）在外延的N^＋ 砷化镓衬底涂覆光刻胶，保留预备制作欧姆接触区和初步形成热电堆的半导体热偶臂的光刻胶，然后去除光刻胶地方的外延的N^＋ 砷化镓被隔离，形成欧姆接触区和初步形成热电堆的半导体热偶臂；