[發明專利]一種狀態可控的對稱型熱電式MEMS微波駐波計及制備方法

有效

• 申請號: 201911420910.4
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111044800B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發明（設計）人: 張志強;孫國琛;韓磊;黃曉東
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01R29/08
• 分類號: G01R29/08;G01R21/02;B81B7/02;B81C1/00
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 薛雨妍

1.一種狀態可控的對稱型熱電式MEMS微波駐波計，其特征在于：包括GaAs襯底（21），在GaAs襯底（21）上設有CPW傳輸線（1）、ACPS傳輸線（2）、對稱型定向耦合器（3）、四個MEMS微波開關（8）、壓焊塊（16）、連接線（20）、空氣橋（18）和四個熱電式MEMS微波功率傳感器（4）；所述對稱型定向耦合器（3）包括CPW傳輸線（1）和ACPS傳輸線（2）；CPW傳輸線（1）由一條信號線和兩條地線構成，其中CPW傳輸線（1）的信號線構成了對稱型定向耦合器（3）的主傳輸線；所述的ACPS傳輸線（2）由一條信號線和一條地線構成；兩段ACPS傳輸線的兩條信號線構成了對稱型定向耦合器（3）的兩條副傳輸線，兩條副傳輸線平行位于主傳輸線的兩側，且到主傳輸線的距離相等，每段副傳輸線兩端分別為耦合端和隔離端，其中靠近輸入端的為耦合端而靠近輸出端的為隔離端；微波功率從輸入端口傳輸到對稱型定向耦合器（3）的主傳輸線上，并由兩條副傳輸線將端口一（31）的入射微波功率分別耦合到端口三（33）和端口五（35），將端口二（32）的反射微波功率分別耦合到端口四（34）和端口六（36）；對稱型定向耦合器（3）的兩個耦合端和兩個隔離端分別連接一個熱電式MEMS微波功率傳感器（4）；每個MEMS微波開關（8）包括CPW傳輸線（1）、驅動電極（17）和MEMS固支梁（19）；四個MEMS微波開關（8）放置在對稱型定向耦合器（3）的CPW傳輸線（1）與ACPS傳輸線（2）連接節點處，控制此處CPW傳輸線（1）導通或者斷開；MEMS微波開關（8）采用并聯電容式結構，MEMS微波開關（8）的上極板和下極板分別為MEMS固支梁（19）和CPW信號線，其中，MEMS固支梁（19）橫跨在CPW信號線上方且MEMS固支梁（19）的兩端通過錨區分別固定在CPW信號線兩側的CPW地線上，在MEMS固支梁（19）下方的CPW信號線兩側對稱地放置兩個驅動電極（17），在CPW信號線和驅動電極（17）上覆蓋Si₃N₄絕緣介質層（12）；當在MEMS固支梁（19）和驅動電極（17）之間不施加和施加直流驅動電壓時，MEMS固支梁（19）結構分別處于Up和Down態，從而使得該對稱型熱電式MEMS微波駐波計具有檢測和不檢測兩種工作狀態，即工作狀態可控。

2.根據權利要求1所述的一種狀態可控的對稱型熱電式MEMS微波駐波計，其特征在于：所述的兩段ACPS傳輸線（2）的信號線對稱分布于由CPW傳輸線（1）的信號線構成的主傳輸線的上下兩側，其中每段ACPS傳輸線（2）的長度為四分之一波長。

3.根據權利要求1所述的一種狀態可控的對稱型熱電式MEMS微波駐波計，其特征在于：每個熱電式MEMS微波功率傳感器（4）包括CPW傳輸線（1）、兩個負載電阻（15）、MEMS襯底膜結構（22）、Si3N4絕緣介質層（12）以及熱電堆；所述的熱電堆是由半導體臂（14）和金屬臂（13）構成，其中半導體臂（14）材料為N+砷化鎵，金屬臂（13）材料為AuGeNi/Au合金。

4.根據權利要求1所述的一種狀態可控的對稱型熱電式MEMS微波駐波計，其特征在于：所述四個熱電式MEMS微波功率傳感器（4）是相同的，所述的四個MEMS微波開關（8）是相同的。

5.根據權利要求1所述的一種狀態可控的對稱型熱電式MEMS微波駐波計，其特征在于：所述的CPW傳輸線（1）的端口特征阻抗為50Ω。

6.根據權利要求1所述的一種狀態可控的對稱型熱電式MEMS微波駐波計，其特征在于：所述的ACPS傳輸線（2）的特征阻抗為50Ω。

7.一種制作權利要求1所述的一種狀態可控的對稱型熱電式MEMS微波駐波計的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

（1）選用砷化鎵外延片作為襯底，其中，砷化鎵襯底為半絕緣的而外延層的方塊電阻為100-130Ω；涂覆光刻膠，去除熱電偶的半導體臂以外區域的光刻膠，刻蝕正面外延層，而后去除光刻膠，形成熱電堆的半導體臂（14）；

（2）濺射AuGeNi/Au，采用剝離工藝形成熱電堆的金屬臂（13）和壓焊塊（16），隨后進行快速熱退火使得半導體臂（14）和金屬臂（13）具有良好的歐姆接觸；

（3）刻蝕熱電堆的半導體臂（14），減小其厚度，使熱電堆的電阻增大到300KΩ左右；

（4）在步驟（3）得到的GaAs襯底（21）上涂覆光刻膠，去除預備制作負載電阻（15）處的光刻膠，濺射生長TaN并剝離，形成方塊電阻25Ω的負載電阻（15）；

（5）在步驟（4）得到的GaAs襯底（21）上涂覆光刻膠，去除預備制作CPW傳輸線（1）、ACPS傳輸線（2）、驅動電極（17）、壓焊塊（16）和連接線（20）處的光刻膠，通過蒸發方式生長一層Ti/Pt/Au/Ti，采用剝離工藝，初步形成CPW傳輸線（1）、ACPS傳輸線（2）和壓焊塊（16），完全形成驅動電極（17）和連接線（20）；

（6）通過等離子增強型化學氣相沉積工藝生長一層2300?厚的Si3N4絕緣介質層，光刻并刻蝕Si3N4絕緣介質層，保留在半導體臂（14）、金屬臂（13）、負載電阻（15）、MEMS固支梁（19）下方的CPW信號線和驅動電極（17）、連接線（20）上的Si3N4絕緣介質層（12）；

（7）旋涂一層1600nm厚的聚酰亞胺犧牲層，光刻并刻蝕聚酰亞胺犧牲層，保留預備制作空氣橋（18）和MEMS固支梁（19）下方的聚酰亞胺犧牲層；

（8）蒸發用于電鍍的種子層鈦/金/鈦，光刻并去除要電鍍地方的光刻膠；

（9）在步驟（8）得到的種子層上通過電鍍方式生長一層Au，去除不需要電鍍地方的光刻膠，反刻鈦/金/鈦，腐蝕底金，完全形成CPW傳輸線（1）、ACPS傳輸線（2）、MEMS固支梁（19）、空氣橋（18）和壓焊塊（16）結構；

（10）將襯底正面涂覆一層光刻膠保護起來，進行對GaAs襯底背面（21）的操作；

（11）在GaAs襯底（21）的背面涂覆一層光刻膠，光刻光刻膠，去除在負載電阻（15）和熱電堆的熱端下方的光刻膠，保留在負載電阻（15）和熱電堆的熱端下方以外的區域，對襯底背面進行濕法刻蝕形成MEMS襯底膜結構（22），其厚度小于20um；

（12）去除正面保護材料，對襯底正面進行劃片，并使用顯影液腐蝕步驟（7）中制作的犧牲層，釋放MEMS固支梁（19）和空氣橋（18），去離子水稍稍浸泡，無水乙醇脫水，常溫下揮發，晾干。