直接加热终端式微电子机械系统微波功率传感器及其制备方法.pdf

直接加热终端式微电子机械微波功率传感器及其制备方法是利用终端负载的形式实现功率吸收并转化为热量，以测量温度的方式测得输入功率的结构，该结构利用热电偶充当终端负载，将由共面波导上输入的能量转化为热量，再转化为电压的方式测得微波功率的大小，在结构上该传感器包括衬底，共面波导地线，共面波导信号线，金热电偶臂，AlGaAs热电偶臂，焊盘，欧姆接触，介质；制造步骤为：准备GaAs衬底，淀积AlGaAs，离子注入进行掺杂，光刻AlGaAs并刻蚀出热电偶臂，淀积AUGE共晶体，Ni和Au，光刻、高温热退火形成欧姆接触，淀积SiON介质层，淀积金属并光刻出共面波导和部分热电偶臂，淀积介质层，制作焊盘。

1、  一种直接加热终端式微电子机械微波功率传感器，其特征在于该结构利用热电偶充当终端负载，将由共面波导上输入的能量转化为热量，再转化为电压的方式测得微波功率的大小，在结构上该传感器包括衬底(1)，共面波导地线(2、3)，共面波导信号线(4)，金热电偶臂(5、6)，AlGaAs热电偶臂(7、8)，焊盘(9、10、11、12、13)，欧姆接触(14、16、17)，介质(15)；其中，AlGaAs热电偶臂(7、8)、介质(15)直接位于衬底(1)上，共面波导地线(2、3)、共面波导信号线(4)位于介质(15)中间，共面波导地线(2、3)、共面波导信号线(4)由焊盘(9、10、11、12、13)连接引出；共面波导信号线(4)的左端接焊盘(10)，右端接两支路，其中一支路接金热电偶臂(5)，金热电偶臂(5)的另一端的下端接欧姆接触(14)，欧姆接触(14)的下端接AlGaAs热电偶臂(7)，AlGaAs热电偶臂(7)与焊盘(12)相接；共面波导信号线(4)的另一支路的右端的下端和金热电偶臂(6)分别通过欧姆接触(16、17)与下端的AlGaAs热电偶臂(8)相接，金热电偶臂(6)的右端与共面波导地线(2)相连，共面波导地线(2)与焊盘(12)相连。

2、  一种如权利1所述的直接加热终端式微电子机械微波功率传感器的制造方法，其特征在于制造的工艺步骤如下：
1)准备GaAs衬底，
2)在GaAs衬底上淀积AlGaAs，
3)对AlGaAs进行离子注入掺杂(n＝10¹⁷cm^-3)，
4)光刻AlGaAs并刻蚀出热电偶臂(7、8)，
5)淀积AuGe共晶体、Ni和Au，
6)光刻并刻蚀出欧姆接触图形，
7)高温热退火形成欧姆接触(14、16、17)，
8)淀积SiON介质层。
9)淀积金属并光刻出共面波导地线(2、3)和共面波导信号线(4)和金热电偶臂(5、6)，
10)淀积介质层，
11)制作焊盘。

直接加热终端式微电子机械系统微波功率传感器及其制备方法
                          技术领域
本发明是一种利用终端负载的形式实现功率吸收并转化为热量，以测量热电势的方式测得输入功率的结构，属于微电子机械系统(MEMS)制造的技术领域。
                          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。在微波信号的产生、传输及接收等各个环节的研究中，微波功率测量是必不可少的，它已成为电磁测量的重要组成部分。在该领域国内外都有大量研究，但用MEMS(微电子机械系统技术)研制的微结构微波功率传感器还很少，我国在这方面已有多年的研究。
传统的功率计采用波导形式的热电功率传感器：常用铋-锑作热偶，采用同轴电缆作为传输线，它的主要缺点是响应慢、烧毁水平低、测量高功率时要用到衰减器，无法与数字模拟电路集成。
                           发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种利用热电转换来测量微波功率的直接加热终端式微电子机械微波功率传感器。应用该传感器可以克服传统波导形式的热电功率传感器的缺点，结构简单，性能优良，可以与数模电路实现简单集成。
技术方案：本发明中的直接加热终端式MEMS微波功率传感器不同于传统的波导形式的热电功率传感器，该结构利用50Ω的共面波导来输入功率，在共面波导终端并联了两个100Ω的热电偶臂，热电偶把吸收功率而发热的热量转化为直流电压，根据直流输出电压，我们可以相应地得知输入功率的大小。在结构上该传感器包括衬底，共面波导地线，共面波导信号线，金热电偶臂，AlGaAs热电偶臂，焊盘，欧姆接触，介质；其中，AlGaAs热电偶臂、介质直接位于衬底上，共面波导地线、共面波导信号线位于介质中间，共面波导地线、共面波导信号线由焊盘连接引出；共面波导信号线的左端接焊盘，右端接两支路，其中一支路接金热电偶臂，金热电偶臂的另一端的下端接欧姆接触，欧姆接触的下端接AlGaAs热电偶臂，AlGaAs热电偶臂与焊盘相接；共面波导信号线的另一支路的右端的下端和金热电偶臂分别通过欧姆接触与下端的AlGaAs热电偶臂相接，金热电偶臂的右端与共面波导地线相连，共面波导地线与焊盘相连。
制造的工艺步骤如下：
1)准备GaAs衬底，
2)在GaAs衬底上淀积AlGaAs，
3)对AlGaAs离子注入进行掺杂，
4)光刻AlGaAs并刻蚀出热电偶臂，
5)淀积AuGe共晶体、Ni和Au，
6)光刻并刻蚀出欧姆接触图形，
7)高温热退火形成欧姆接触，
8)淀积SiON介质层。
9)淀积金属并光刻出共面波导地线和共面波导信号线和金热电偶臂，
10)淀积介质层，
11)制作焊盘。
区分是否为该结构的标准如下：
(a)功率的输入是采用共面波导来实现，
(b)功率的测量是采用热电偶实现，且其阻抗与共面波导匹配
(c)由单片微波集成电路工艺实现，
满足以上三个要求即可视为直接式MEMS微波功率传感器。
有益效果：长期以来由于微波功率MEMS传感器结构的特殊性，对该类器件的研究开发仅局限于科研领域。微波功率MEMS传感器应用于集成电路的大规模生产存在着与主流工艺不兼容、可重复性可靠性差、生产成本高等一系列障碍。本发明中的直接加热终端式MEMS微波功率传感器结构，突破了传统的波导形式的热电功率传感器结构和工艺的思维限制，寻找到了可以与简单数模电路集成的实现方法，可重复性可靠性都有较大的提高，生产成本大幅降低。而且，此传感器具有以下主要特点：一、这种测量方式与输入的频率及波形无关，所以整个器件特别是终端负载与频率无关；二、可以采用GaAs MMIC(单片微波集成电路)工艺制造，从而实现与数模电路的简单集成。三。与间接式微波功率传感器相比体积更小，精度更高。因此，具有线性度好，频带范围宽，功率精度高，响应速度快，可测量较小功率等优点。本发明很好的解决了上文中提及的传统的波导形式的热电功率传感器所遇到的各种问题，并易于实现器件的高可靠性、高重复性、低生产成本，很好地满足简单集成的要求。因此，直接加热终端式MEMS微波功率传感器结构具有较好的应用价值和广阔的市场潜力。
                        附图说明
图1是基于GaAs MMIC工艺实现的直接加热终端式MEMS微波功率传感器结构的俯视图。
图2是图1中A-A向剖视结构示意图。
图3是图1中B-B向剖视结构示意图。
图4是图1中C-C向剖视结构示意图。
图5是在固定频率条件下，输出电压与功率的关系示意图。
图6是在固定功率条件下，输出电压与频率的关系示意图。
其中有：衬底1，共面波导地线2、3，共面波导信号线4，金热电偶臂5、6，AlGaAs热电偶臂7、8，焊盘9、10、11、12、13，欧姆接触14、16、17，介质15。
                    具体实施方案
本发明的直接加热终端式MEMS微波功率传感器结构我们已经设计出了基于GaAs MMIC工艺的实现方案。基于GaAs MMIC工艺实现的直接加热终端式MEMS微波功率传感器结构利用热电偶充当终端负载，将由共面波导上输入的能量转化为热量，再转化为电压的方式测得微波功率的大小，在结构上该传感器包括衬底1，共面波导地线2、3，共面波导信号线4，金热电偶臂5、6，AlGaAs热电偶臂7、8，焊盘9、10、11、12、13，欧姆接触14、16、17，介质15；其中，AlGaAs热电偶臂7、8、介质15直接位于衬底1上，共面波导地线2、3、共面波导信号线4位于介质15中间，共面波导地线2、3、共面波导信号线4由焊盘9、10、11、12、13连接引出；共面波导信号线4的左端接焊盘10，右端接两支路，其中一支路接金热电偶臂5，金热电偶臂5的另一端的下端接欧姆接触14，欧姆接触14地下端接AlGaAs热电偶臂7，AlGaAs热电偶臂7与焊盘12相接；共面波导信号线4的另一支路的右端的下端和金热电偶臂6分别通过欧姆接触16、17与下端的AlGaAs热电偶臂8相接，金热电偶臂6的右端与共面波导地线2相连，共面波导地线2与焊盘12相连。
本发明的具体工艺步骤和参数如下：
1)准备GaAs衬底(400um)
2)淀积AlGaAs(0.8um)
3)离子注入进行掺杂(n＝10¹⁷cm^-3)
4)光刻AlGaAs并刻蚀出热电偶臂
5)淀积AuGe共晶体，Ni和Au，
6)光刻并刻蚀出欧姆接触图形
7)高温热退火形成欧姆接触
8)淀积SiON介质层。
9)淀积金属并光刻出共面波导和部分热电偶臂
10)淀积介质层。
11)制作焊盘
除此之外，整个技术方案中还需注意一些问题，其中包括：热电偶的阻值必须非常精确，所以尺寸的控制非常重要。另外，为了增强微机热电堆的机械稳定性，其非金属臂之间的距离必须是相等的；共面波导的刻蚀表面的粗糙度对共面波导的性能有很大的影响，这就给刻蚀过程提出了比较高的要求，刻蚀效果的好坏对整个传感器来说是十分重要的。
纵观整个实现该直接加热终端式MEMS微波功率传感器的工艺过程，其中没有引进任何的复杂特殊的工艺，完全与GaAs MMIC工艺相兼容。因此，应用本发明中的直接加热终端式MEMS微波功率传感器结构可以实现功率测量结构在集成电路中的产业化应用，进而推动整个集成电路产业的发展。