專利名稱：基于微機(jī)械硅基懸臂梁的頻率檢測器及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了基于微機(jī)械硅基懸臂梁的頻率檢測器，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微波信號頻率檢測器在雷達(dá)電子探測系統(tǒng)和微波通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。已有的微波頻率檢測器其原理是設(shè)法將被測量頻率直接或者間接地與標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行比較。按照具體進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的方式不同，使用廣泛的頻率測量方法可分為以下四種外差法、計(jì)數(shù)法、諧振法和比相法，它們具有高精度和寬頻帶的優(yōu)點(diǎn)，然而其最大的缺點(diǎn)是需要比較精密的測量儀器。近年來，隨著MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，并對MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，使基于MEMS懸臂梁技術(shù)實(shí)現(xiàn)上述功能的Si MOSFET (硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管)微波頻率檢測器成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題利用Si CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝加工，本發(fā)明提供了一種基于微機(jī)械硅懸臂梁的頻率檢測器及檢測方法，待測信號經(jīng)過功分器和90度移相器后產(chǎn)生兩路頻率相同存在90度相位差的微波信號，分別加載在Si MOSFET的柵極和MEMS懸臂梁的錨區(qū)上，當(dāng)下拉電極加直流偏置而使MEMS懸臂梁處于向下拉的狀態(tài)時，兩路信號同時加載到MOSFET的柵極上，通過檢測源漏極飽和電流，得到待測微波信號的頻率。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于微機(jī)械硅懸臂梁的頻率檢測器，該頻率檢測器包括
功率分配器、90度移相器、低通濾波器和硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，
功率分配器，用于接收待測微波信號，并將該待測微波信號分成幅度、相位相同的兩個支路信號，即第一路微波信號和第二路微波信號，并分別輸出給硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管和90度移相器；
90度移相器，用于接收所述第二路微波信號，將該第二路微波信號延遲，將該信號產(chǎn)生一個與頻率成正比的相移后，輸出第三路微波信號給Si MOSFET結(jié)構(gòu)；
低通濾波器，用于通過隔直電容與娃基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管(Si MOSFET)相連，濾去其輸出的高頻信號，得到與頻率相關(guān)的電流信號；
Si M0SFET，用于實(shí)現(xiàn)相位的檢測；其中，
Si MOSFET包括硅襯底，生長在硅襯底表面上的用于輸出飽和電流的源極和漏極，源極與漏極相對設(shè)置，在源極或漏極的外側(cè)設(shè)有懸臂梁錨區(qū)，跨接在源極和漏極之間的柵氧化層，設(shè)置在柵氧化層表面的柵極，設(shè)置在在該柵極上方且與柵極相對的懸臂梁，懸臂梁的一側(cè)與懸臂梁錨區(qū)相連，
在柵極遠(yuǎn)離懸臂梁錨區(qū)的一側(cè)設(shè)有下拉電極，下拉電極被絕緣介質(zhì)層覆蓋；
源極接地，漏極接正電壓，柵極接正電壓；功率分配器輸出的第一路微波信號輸出給柵極；
90度移相器的輸出的第三路微波信號輸出給Si MOSFET的懸臂梁錨區(qū)本發(fā)明還提供了一種用于基于微機(jī)械硅懸臂梁的頻率檢測器的頻率檢測方法，該方法包括如下步驟
源極和漏極用于輸出飽和電流，由N型重?fù)诫s區(qū)構(gòu)成；當(dāng)Si MOSFET正常工作情況下，源極接地，漏極接正電壓，N型溝道中的電子將從源極流向漏極，電流方向由漏極到源極，柵極由多晶硅構(gòu)成，接正電壓；
待測微波信號經(jīng)過功率分配器分成幅度、相位完全相同的兩個支路信號，一路信號直接連接到柵極，另一路信號經(jīng)過一個90度線性移相器之后連接到懸臂梁的錨區(qū)；當(dāng)下拉電極上沒有直流偏置時，懸臂梁位于柵極上方，Si MOSFET處于非頻率檢測狀態(tài)；
當(dāng)在下拉電極加載直流偏置時，懸臂梁被下拉且與柵極接觸時，兩路微波信號同時加 載到柵極上，Si MOSFET處在頻率檢測狀態(tài)，源極和漏極之間的飽和電流輸出包含了待測信號頻率信息的電流分量，通過檢測飽和電流的大小最終實(shí)現(xiàn)頻率檢測。有益效果與現(xiàn)有的頻率檢測器相比，這種新型的基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET頻率檢測器具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)
1、SiMOSFET的源漏極飽和電流由兩個電壓共同控制，輸出電流包含兩個柵電壓的乘積分量，起到了頻率檢測的作用；
2、MEMS懸臂梁可動結(jié)構(gòu)和下拉電極的存在，使得頻率檢測器可以處在檢測和非檢測狀態(tài)下；
該頻率檢測器的制作基于后CMOS微機(jī)械加工工藝，采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)。


圖I是基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET頻率檢測器的俯視 圖2是基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET頻率檢測器的A-A’剖面 圖3是基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET頻率檢測器的B-B’剖面 圖中包括Si襯底1，源極2，漏極3，柵氧化層4，柵極5，MEMS懸臂梁錨區(qū)6，MEMS懸臂梁7，下拉電極8，錨區(qū)壓焊塊9，下拉電極壓焊塊10，柵極壓焊塊11，下拉電極介質(zhì)層12。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。參見圖1-3，本發(fā)明提供的基于微機(jī)械硅懸臂梁的頻率檢測器，該頻率檢測器包括 功率分配器P、90度移相器Y、低通濾波器L和Si MOSFET,
功率分配器，用于接收待測微波信號，并將該待測微波信號分成幅度、相位相同的兩個支路信號，即第一路微波信號和第二路微波信號，并分別輸出給Si MOSFET和90度移相器；90度移相器，用于接收所述第二路微波信號，將該第二路微波信號延遲，將該信號產(chǎn)生一個與頻率成正比的相移后，輸出第三路微波信號給Si MOSFET結(jié)構(gòu)；
低通濾波器，用于通過隔直電容與Si MOSFET相連，濾去其輸出的高頻信號，得到與頻率相關(guān)的電流信號；
Si M0SFET，用于實(shí)現(xiàn)相位的檢測；其中，Si MOSFET包括硅襯底1，生長在硅襯底I表面上的用于輸出飽和電流的源極2和漏極3，源極2與漏極3相對設(shè)置，在源極2或漏極3的外側(cè)設(shè)有懸臂梁錨區(qū)6，跨接在源極2和漏極3之間的柵氧化層4，設(shè)置在柵氧化層4表面的柵極5，設(shè)置在在該柵極5上方且與柵極5相對的懸臂梁7，懸臂梁7的一側(cè)與懸臂梁錨區(qū)6相連，
在柵極5遠(yuǎn)離懸臂梁錨區(qū)6的一側(cè)設(shè)有下拉電極8，下拉電極8被絕緣介質(zhì)層12覆蓋； 源極2接地，漏極3接正電壓，柵極5接正電壓；
功率分配器輸出的第一路微波信號輸出給柵極5 ；
90度移相器的輸出的第三路微波信號輸出給Si MOSFET的懸臂梁錨區(qū)6。本發(fā)明還提供了一種用于基于微機(jī)械硅懸臂梁的頻率檢測器的頻率檢測方法，該方法包括如下步驟
源極2和漏極3用于輸出飽和電流，由N型重?fù)诫s區(qū)構(gòu)成；當(dāng)Si MOSFET正常工作情況下，源極2接地，漏極3接正電壓，N型溝道中的電子將從源極2流向漏極3，電流方向由漏極3到源極2，柵極5由多晶硅構(gòu)成，接正電壓；
待測微波信號經(jīng)過功率分配器P分成幅度、相位完全相同的兩個支路信號，一路信號直接連接到柵極5，另一路信號經(jīng)過一個90度線性移相器之后連接到懸臂梁的錨區(qū)6;當(dāng)下拉電極8上沒有直流偏置時，懸臂梁7位于柵極5上方，Si MOSFET處于非頻率檢測狀態(tài)；當(dāng)在下拉電極8和加載直流偏置時，懸臂梁7被下拉且與柵極5接觸時，兩路微波信號同時加載到柵極5上，Si MOSFET處在頻率檢測狀態(tài)，源極2和漏極3之間的飽和電流輸出包含了待測信號頻率信息的電流分量，通過檢測飽和電流的大小最終實(shí)現(xiàn)頻率檢測。本發(fā)明的頻率檢測器的組成部分包括基于MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)的Si M0SFET、功分器、90度線性移相器、隔直電容和低通濾波器。在普通MOSFET的基礎(chǔ)上，基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET額外增加了 MEMS可動懸臂梁結(jié)構(gòu)，并使用下拉電極來控制梁的up態(tài)和donw態(tài)
本發(fā)明的基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET以多晶硅為襯底，襯底上設(shè)置有柵氧化層、源極、漏極、柵極、MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)和下拉電極。源漏區(qū)是重?fù)诫s的N+區(qū)，柵極的材料是多晶硅。正常工作時，源極接地，漏極接Vdd，多晶硅柵極接負(fù)電壓，柵極和MEMS懸臂梁上電壓調(diào)整溝道耗盡層的寬度，改變源漏極之間的飽和電流的大小，輸出飽和電流的大小包含了輸入信號的頻率信息。MEMS可動懸臂梁結(jié)構(gòu)，位于Si MOSFET的柵極上方。下拉電極位于懸臂梁的下方，位于遠(yuǎn)離懸臂梁錨區(qū)的柵極一側(cè)，其上覆蓋氮化硅絕緣介質(zhì)層。待測微波信號經(jīng)過功分器分成幅度、相位完全相同的兩個支路信號，一路信號直接連接到MOS管的柵極，另一路信號經(jīng)過一個90度線性移相器之后連接到MEMS懸臂梁的錨區(qū)。當(dāng)在下拉電極和懸臂梁之間加載直流偏置而MEMS懸臂梁被下拉且與柵極接觸時，兩路微波信號同時加載到Si MOSFET的柵極上，Si MOSFET處在頻率檢測狀態(tài)，源漏極之間的飽和電流輸出包含了待測信號頻率信息的電流分量。源漏極飽和電流通過隔直電容和低通濾波器，濾去高頻信號，得到與頻率相關(guān)的電流信號?；贛EMS懸臂梁的Si MOSFET頻率檢測器的工藝過程如下
(1)初始氧化(一次氧化);
(2)一次光刻和離子注入硼B(yǎng)+;(3)退火和雜質(zhì)再分布；
(4)去除表面氧化層；
(5)底氧生長，形成柵氧化層；
(6)沉積氮化硅并刻蝕場區(qū)；
(7)P型場區(qū)閾值電壓調(diào)整；
(8)N型場區(qū)閾值電壓調(diào)整；
(9)場氧化；
(10)去除氮化硅、柵氧化層、NMOS閾值電壓調(diào)整； (11)沉積多晶硅并光刻、刻蝕多晶硅圖形，形成SiMOSFET的柵極、MEMS梁下拉電極、壓焊塊和連接它們的引線；
(12)沉積氮化硅，形成下拉電極上的絕緣介質(zhì)層；
(13)離子注入形成PMOS、NMOS的源漏區(qū)；
(14)沉積二氧化硅并光刻、刻蝕二氧化硅圖形，形成MEMS梁的犧牲層；
(15)沉積多晶硅并光刻、刻蝕多晶硅圖形，形成MEMS梁結(jié)構(gòu)；
(16)低溫沉積摻磷二氧化硅；
(17)光刻引線孔并回流；
(18)沉積第一層金屬并完成第一層金屬引線的光刻和刻蝕；
(19)制作雙層引線間的介電材料；
(20)光刻和刻蝕雙層金屬間的連接通孔；
(21)第二層金屬光刻與刻蝕；
(22)使用各向異性腐蝕液HF腐蝕犧牲層，釋放MEMS可動?xùn)牛?br> 本文發(fā)明的基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET頻率檢測器的具體實(shí)施方案如下
在硅襯底I上設(shè)有源極2、漏極3、柵氧化層4、柵極5、MEMS懸臂梁錨區(qū)6、下拉電極8和下拉電極壓焊塊10。源極2和漏極3用于輸出飽和電流，由N型重?fù)诫s區(qū)構(gòu)成。當(dāng)SiMOSFET正常工作情況下，源極2接地，漏極3接正電壓Vdd，N型溝道中的電子將從源極2流向漏極3，電流方向由漏極3到源極2。柵極5由多晶硅構(gòu)成，接正電壓。該頻率檢測器具有MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)7，橫跨在柵極5上，下拉電極位于懸臂梁的下方，位于遠(yuǎn)離懸臂梁錨區(qū)的柵極一側(cè)，其上覆蓋氮化硅絕緣介質(zhì)層。待測微波信號經(jīng)過功分器分成幅度、相位完全相同的兩個支路信號，一路信號直接連接到MOS管的柵極5，另一路信號經(jīng)過一個90度線性移相器之后連接到MEMS懸臂梁的錨區(qū)6。當(dāng)兩個下拉電極上沒有直流偏置時，MEMS懸臂梁7位于up態(tài)，Si MOSFET處于非頻率檢測狀態(tài)。當(dāng)在下拉電極加載直流偏置時，MEMS懸臂梁被下拉且與柵極接觸時，兩路微波信號同時加載到Si MOSFET的柵極上，Si MOSFET處在頻率檢測狀態(tài)，源漏極之間的飽和電流輸出包含了待測信號頻率信息的電流分量，通過檢測飽和電流的大小最終實(shí)現(xiàn)頻率檢測。本發(fā)明提出的基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET頻率檢測器采用后CMOS微機(jī)械加工技術(shù)，即在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝流程結(jié)束后，進(jìn)行MEMS結(jié)構(gòu)的制作?；贛EMS懸臂梁的SiMOSFET頻率檢測器的工藝過程如下
(1)初始氧化(一次氧化)；
(2)一次光刻和離子注入硼B(yǎng)+;(3)退火和雜質(zhì)再分布；
(4)去除表面氧化層；
(5)底氧生長，形成柵氧化層；
(6)沉積氮化硅并刻蝕場區(qū)；
(7)P型場區(qū)閾值電壓調(diào)整；
(8)N型場區(qū)閾值電壓調(diào)整；
(9)場氧化； (10)去除氮化硅、柵氧化層、NMOS閾值電壓調(diào)整；
(11)沉積多晶硅并光刻、刻蝕多晶硅圖形，形成SiMOSFET的柵極、MEMS梁下拉電極、壓焊塊和連接它們的引線；
(12)沉積氮化硅，形成下拉電極上的絕緣介質(zhì)層；
(13)離子注入形成PMOS、NMOS的源漏區(qū)；
(14)沉積二氧化硅并光刻、刻蝕二氧化硅圖形，形成MEMS梁的犧牲層；
(15)沉積多晶硅并光刻、刻蝕多晶硅圖形，形成MEMS梁結(jié)構(gòu)；
(16)低溫沉積摻磷二氧化硅；
(17)光刻引線孔并回流；
(18)沉積第一層金屬并完成第一層金屬引線的光刻和刻蝕；
(19)制作雙層引線間的介電材料；
(20)光刻和刻蝕雙層金屬間的連接通孔；
(21)第二層金屬光刻與刻蝕；
(22)使用各向異性腐蝕液HF腐蝕犧牲層，釋放MEMS可動?xùn)牛?br> 區(qū)分是否為該結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)如下
為實(shí)現(xiàn)微波頻率檢測的功能，本發(fā)明的基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET頻率檢測器，將待測信號經(jīng)功分器分成幅度、相位完全相同的兩個支路信號，一路信號連接到MOS管的柵極，另一路信號經(jīng)過一個90度線性移相器之后連接到MEMS懸臂梁的錨區(qū)。MEMS懸臂梁位于柵極上方，在MEMS懸臂梁下方遠(yuǎn)離錨區(qū)的柵極一側(cè)配置有下拉電極。當(dāng)在下拉電極上加載一定的直流偏置時，MEMS懸臂梁被下拉且與柵極相連，兩路信號同時加載到Si MOSFET的柵極上，從而起到控制源漏極間的飽和電流的大小的作用，濾波器慮去高頻和低頻電流分量，實(shí)現(xiàn)了微波信號頻率的檢測。本發(fā)明的基于微機(jī)械硅基懸臂梁的頻率檢測器將待測微波信號通過功分器分成幅度、相位完全相同的兩個支路信號，一路信號直接連接到MOS管的柵極11，另一路信號經(jīng)過一個90度線性移相器之后連接到MEMS懸臂梁的錨區(qū)9，當(dāng)在下拉電極10和懸臂梁7之間加載直流偏置時，MEMS懸臂梁被下拉且與柵極5接觸時，包含頻率信息的另一路信號通過MEMS懸臂梁加到柵極11上，Si MOSFET起到乘法器的作用，源漏極之間的飽和電流輸出包含了待測信號頻率信息的電流分量。源漏極飽和電流通過隔直電容和低通濾波器，濾去高頻電流分量，得到與頻率相關(guān)的電流信號。該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，易于測量的優(yōu)點(diǎn)。滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET頻率檢測器。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述實(shí)施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護(hù)范圍內(nèi)?！?br> 權(quán)利要求
1.一種基于微機(jī)械硅懸臂梁的頻率檢測器，其特征在于該頻率檢測器包括 功率分配器(P)、90度移相器(Y)、低通濾波器(L)和硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管， 功率分配器，用于接收待測微波信號，并將該待測微波信號分成幅度、相位相同的兩個支路信號，即第一路微波信號和第二路微波信號，并分別輸出給硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管和90度移相器； 90度移相器，用于接收所述第二路微波信號，將該第二路微波信號延遲，將該信號產(chǎn)生一個與頻率成正比的相移后，輸出第三路微波信號給硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)； 低通濾波器，用于通過隔直電容與硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管相連，濾去其輸出的高頻信號，得到與頻率相關(guān)的電流信號； 硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，用于實(shí)現(xiàn)相位的檢測；其中， 娃基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管包括娃襯底(I)，生長在娃襯底(I)表面上的用于輸出飽和電流的源極(2)和漏極(3)，源極(2)與漏極(3)相對設(shè)置，在源極(2)或漏極(3)的外側(cè)設(shè)有懸臂梁錨區(qū)(6)，跨接在源極(2)和漏極(3)之間的柵氧化層(4)，設(shè)置在柵氧化層(4)表面的柵極(5)，設(shè)置在在該柵極(5)上方且與柵極(5)相對的懸臂梁(7)，懸臂梁(7)的一側(cè)與懸臂梁錨區(qū)(6)相連， 在柵極(5)遠(yuǎn)離懸臂梁錨區(qū)(6)的一側(cè)設(shè)有下拉電極(8)，下拉電極(8)被絕緣介質(zhì)層(12)覆蓋； 源極(2)接地，漏極(3)接正電壓，柵極(5)接正電壓； 功率分配器輸出的第一路微波信號輸出給柵極(5)； 90度移相器的輸出的第三路微波信號輸出給硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管的懸臂梁錨區(qū)(6)。
2.一種用于權(quán)利要求I所述基于微機(jī)械硅懸臂梁的頻率檢測器的頻率檢測方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 源極(2)和漏極(3)用于輸出飽和電流，由N型重?fù)诫s區(qū)構(gòu)成；當(dāng)硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管正常工作情況下，源極(2)接地，漏極(3)接正電壓，N型溝道中的電子將從源極(2)流向漏極(3)，電流方向由漏極(3)到源極(2)，柵極(5)由多晶硅構(gòu)成，接正電壓；待測微波信號經(jīng)過功率分配器(P)分成幅度、相位完全相同的兩個支路信號，一路信號直接連接到柵極(5)，另一路信號經(jīng)過一個90度線性移相器之后連接到懸臂梁的錨區(qū)(6);當(dāng)下拉電極(8 )和上沒有直流偏置時，懸臂梁(7 )位于柵極(5 )上方，硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管處于非頻率檢測狀態(tài)； 當(dāng)在下拉電極(8)加載直流偏置時，懸臂梁(7)被下拉且與柵極(5)接觸時，兩路微波信號同時加載到柵極(5)上，硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管處在頻率檢測狀態(tài)，源極(2)和漏極(3)之間的飽和電流輸出包含了待測信號頻率信息的電流分量，通過檢測飽和電流的大小最終實(shí)現(xiàn)頻率檢測。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微機(jī)械硅懸臂梁的頻率檢測器及檢測方法，該頻率檢測器包括功率分配器(P)、90度移相器(Y)、低通濾波器(L)和硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，功率分配器，用于接收待測微波信號，并將該待測微波信號分成幅度、相位相同的兩個支路信號。檢測方法包括如下步驟當(dāng)在下拉電極(81)加載直流偏置時，懸臂梁(7)被下拉且與柵極(5)接觸時，兩路微波信號同時加載到柵極(5)上，硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管處在頻率檢測狀態(tài)，源極(2)和漏極(3)之間的飽和電流輸出包含了待測信號頻率信息的電流分量，通過檢測飽和電流的大小最終實(shí)現(xiàn)頻率檢測。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于測量。
文檔編號G01R23/02GK102735927SQ20121020466
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者華迪, 廖小平 申請人:東南大學(xué)