[發(fā)明專利]微機(jī)械懸臂梁開關(guān)在線式微波功率檢測器及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110283705.5
• 申請日: 2011-09-22
• 公開（公告）號: CN102375090A
• 公開（公告）日: 2012-03-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 廖小平;劉合超;張志強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G01R21/02
• 分類號: G01R21/02;B81B7/00;B81C1/00
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 張惠忠

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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提出了微機(jī)械懸臂梁開關(guān)在線式微波功率檢測器及制備方法，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

微波信號中包含功率、相位和頻率三大信息，其中功率是微波信號的一個重要特征參數(shù)。微波功率的測量在微波技術(shù)中有相當(dāng)重要的應(yīng)用價值，它已經(jīng)是電磁波測量領(lǐng)域中不可缺少的部分。隨著近年來，MEMS技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使得基于此項(xiàng)技術(shù)的各種應(yīng)用成為可能。一種基于MEMS技術(shù)的微波功率檢測器其工作原理是，微波信號能夠直接加熱位于傳輸線末端的熱電臂，將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，于是就會在被加熱的熱電偶與由另一種材料構(gòu)成的熱電臂之間形成溫度差，根據(jù)Seebeck效應(yīng)，這種溫度差能使熱電偶的輸出端上出現(xiàn)與微波功率大小相對應(yīng)的恒定電勢差，從而完成微波功率的測量。這種測量方法具有靈敏度好，線性度高以及功率損耗小等優(yōu)點(diǎn)，隨著現(xiàn)代微波集成電路的飛速發(fā)展，微波功率測量要求實(shí)現(xiàn)片上的微波功率的在線式測量，能夠按照實(shí)際需要來控制微波功率的比例，并測量出微波功率的大小。利用微電子機(jī)械懸臂梁開關(guān)式微波功率耦合器，并采用上述直接加熱式MEMS微波功率檢測器方案，使得具有上述功能的懸臂梁開關(guān)在線式微波功率檢測器成為可能。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：為了實(shí)現(xiàn)對可控微波功率的在線式測量，本發(fā)明提供一種基于MEMS技術(shù)微電子機(jī)械懸臂梁開關(guān)在線式微波功率檢測器及制備方法，通過設(shè)計耦合度可控的微波功率耦合器，來實(shí)現(xiàn)對微波信號以不同的比進(jìn)行的在線式采集，同時在耦合輸出端制作與傳輸線特征阻抗相匹配的且由不同材料的熱電臂構(gòu)成的熱電堆，將輸入的微波信號完全吸收，并轉(zhuǎn)化為熱電勢即恒定電壓的形式輸出，從而在耦合器的特定工作模式下檢測出的微波功率大小。

技術(shù)方案：本發(fā)明的微機(jī)械懸臂梁開關(guān)在線式微波功率檢測器以帶背金的砷化鎵（GaAs）為襯底，在襯底的背面有厚度均勻的金屬作為共地面，在襯底上設(shè)有微帶信號線組成的主傳輸線、副傳輸線、兩個相同的MEMS懸臂梁、懸臂梁的錨區(qū)、空氣橋、輸出壓焊塊、隔離電阻、一個由四個熱電臂，即兩對熱電偶組成的熱電堆：

砷化鎵襯底背面有一層厚度均勻的金屬，作為微帶線結(jié)構(gòu)的共地面，采用金材料構(gòu)成。

微帶信號線在襯底上用于傳輸微波信號，是實(shí)現(xiàn)耦合度可變的微波功率耦合器的主要傳輸線結(jié)構(gòu)。該耦合器的四個端口、及主傳輸線、副傳輸線、耦合傳輸線均由該結(jié)構(gòu)構(gòu)成；通過設(shè)計各微帶信號線的平面尺寸以及相互間距，可以根據(jù)要求設(shè)計該耦合器的在各種工作模式下的耦合度。該微帶信號線采用金材料構(gòu)成。

該微波功率耦合器包含兩個相同的可動的MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)，其屬于串聯(lián)直接接觸式MEMS開關(guān)的范疇。懸臂梁的錨區(qū)與主微帶信號線相連接；懸臂梁下方具有驅(qū)動電極，在驅(qū)動電極上覆蓋氮化硅介質(zhì)層，驅(qū)動電極由引線與壓焊塊相連接；在懸臂梁自由端下方具有帶凸點(diǎn)的過渡微帶信號線，且其凸點(diǎn)上沒有氮化硅介質(zhì)層。通過控制懸臂梁下方的驅(qū)動電極有無驅(qū)動電壓來控制該懸臂梁是否處于DOWN或UP狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)該微波功率耦合器的緊耦合或松耦合工作狀態(tài)。MEMS懸臂梁、驅(qū)動電極、引線和壓焊塊均采用金材料構(gòu)成。

空氣橋用于跨接被孤立的耦合微帶線和過渡微帶信號線，其空氣橋和耦合微帶線均采用金材料構(gòu)成。

隔離電阻被連接到耦合器的隔離端口，用于完全吸收由于主傳輸線輸入阻抗失配，而在隔離端口輸出的微波功率，該電阻可以將這部分功率轉(zhuǎn)換為熱量，采用氮化鉭材料構(gòu)成。

熱電堆連接在耦合器的耦合輸出端口，由兩對與耦合輸出端口阻抗相匹配的熱電偶組成，每對熱電偶由一個半導(dǎo)體熱偶臂和一個金屬熱偶臂相接觸構(gòu)成。根據(jù)Seebeck效應(yīng)，熱電偶的這種結(jié)構(gòu)可以將由一端輸入的微波信號功率直接吸收，并在熱電偶的另一端產(chǎn)生熱電勢，通過輸出壓焊塊輸出穩(wěn)定電勢差，由該電勢差可以確定相應(yīng)的微波信號的功率大小。其中半導(dǎo)體熱偶臂采用摻雜的砷化鎵材料，金屬熱偶臂采用金材料構(gòu)成，輸出壓焊塊采用金材料。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，微帶信號線、MEMS懸臂梁、懸臂梁的錨區(qū)、驅(qū)動電極、引線、壓焊塊、輸出壓焊塊、空氣橋、隔離電阻和熱電堆均制作在同一塊砷化鎵襯底上。