專利名稱：微電子機(jī)械固支梁式定向微波功率耦合器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS的技術(shù)領(lǐng)域，涉及微波功率耦合器，具體為一種微電子機(jī)械固支梁式定向微波功率耦合器及其制備方法。
背景技術(shù)：
微波功率耦合器是用于微波功率定向分配或功率組合的無源器件，通常使用定向耦合器對微波功率進(jìn)行耦合。定向微波功率耦合器是一種具有方向性的四端口功率耦合器件，包含主傳輸線(主線)和副傳輸線(副線)兩部分，主副線之間通過耦合機(jī)構(gòu)，如縫隙、 孔和耦合線段等，把主線功率的一部分耦合到副線中去。傳統(tǒng)的定向微波功率耦合器是由波導(dǎo)、同軸線和微帶線等構(gòu)成的，它們具有低的損耗、高的隔離度和良好的方向性等優(yōu)點(diǎn)，然而其最大的缺點(diǎn)是，主線傳輸微波信號無論副線要不要求分配微波功率，總是會(huì)有一定的微波功率被耦合到副線中去，造成了不必要的功率損耗。隨著微波集成電路的發(fā)展，現(xiàn)代個(gè)人通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)不僅要求微波功率耦合器在功率耦合過程時(shí)具有傳統(tǒng)定向微波功率耦合器的優(yōu)點(diǎn)，如低的損耗、高的隔離度和良好的方向性，而且要求微波功率耦合器能夠?qū)崿F(xiàn)耦合與不耦合兩種工作狀態(tài)，減小不必要的功率損耗。近年來，隨著MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，并對MEMS固支梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，使基于MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)上述功能的固支梁式定向微波功率耦合器成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是現(xiàn)有定向微波功率耦合器的耦合狀態(tài)不受控制，無論是否需要進(jìn)行耦合，總是會(huì)有一定的微波功率從主線被耦合到副線中去，造成不必要的功率損耗。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種微電子機(jī)械固支梁式定向微波功率耦合器，為四端口微波器件，包括主線和副線，四端口為主線輸入端口、主線輸出端口、副線耦合輸出端口和副線隔離端口，以砷化鎵襯底為基底，在基底上設(shè)置主線和副線，副線與主線耦合的部分設(shè)有MEMS固支梁，MEMS固支梁作為副線的一段耦合線段，并位于副線中部；MEMS固支梁下方設(shè)有驅(qū)動(dòng)電極，對應(yīng)驅(qū)動(dòng)電極在副線外側(cè)設(shè)有壓焊塊，通過弓丨線與驅(qū)動(dòng)電極連接。主線包括由共面波導(dǎo)CPW構(gòu)成主線輸入端口、主線輸出端口，和由不對稱共面帶線ACPS構(gòu)成功率傳輸部分；副線包括由CPW構(gòu)成副線耦合輸出端口、副線隔離端口，和由 ACPS構(gòu)成功率耦合部分；CPW由一個(gè)信號線和兩個(gè)地線組成，ACPS由一個(gè)信號線和一個(gè)地線組成，CPff和ACPS的信號線組合構(gòu)成主線信號線、副線信號線；MEMS固支梁通過MEMS固支梁錨區(qū)與副線的功率耦合部分固定連接，驅(qū)動(dòng)電極的兩端不與MEMS固支梁的錨區(qū)相連接，副線外側(cè)設(shè)有兩個(gè)電輸入壓焊塊，分別通過引線與驅(qū)動(dòng)電極和副線ACPS的地線相連接，其中，連接驅(qū)動(dòng)電極和電輸入壓焊塊的引線隔開副線ACPS的地線，耦合器中所有被隔開的地線通過空氣橋相連接；驅(qū)動(dòng)電極、所述引線的隔開地線的部分、以及空氣橋下方非地線的部分被氮化硅介質(zhì)層覆蓋。
主線和副線CPW、主線和副線ACPS、MEMS固支梁、MEMS固支梁錨區(qū)、驅(qū)動(dòng)電極、空氣橋、引線和電輸入壓焊塊的材料均為金。本發(fā)明耦合器隔離端口設(shè)有氮化鉭材料構(gòu)成的終端電阻，終端電阻上覆蓋氮化硅介質(zhì)層。上述微電子機(jī)械固支梁式定向微波功率耦合器的制備方法，基于GaAs MMIC工藝， 包括以下步驟1)準(zhǔn)備襯底，選用半絕緣砷化鎵襯底作為基底，在襯底正面制備耦合器；2)在襯底上涂覆光刻膠，并去除預(yù)備制作氮化鉭終端電阻的位置處的光刻膠；3)在襯底上濺射氮化鉭，其厚度為Iym;4)將步驟2)中留下的光刻膠剝離去除，連帶去除光刻膠上面的氮化鉭；5)在襯底正面涂覆光刻膠，再去除預(yù)備制作主線和副線CPW、主線和副線ACPS、 MEMS固支梁的錨區(qū)、驅(qū)動(dòng)電極、引線以及電輸入壓焊塊地方的光刻膠；6)在步驟5)處理后的砷化鎵襯底上，通過蒸發(fā)方式生長一層金，其厚度為 0. 3μ ；7)將步驟5)中留下的光刻膠去除，連帶去除了光刻膠上面的金，形成驅(qū)動(dòng)電極和引線，并初步形成主線和副線CPW、主線和副線ACPS、MEMS固支梁的錨區(qū)以及電輸入壓焊塊；8)反刻氮化鉭，形成與副線隔離端口相連接的終端電阻，其方塊電阻為25Ω/ □；9)淀積氮化硅在前面步驟處理得到的砷化鎵襯底上用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相淀積法工藝PECVD生長1000Α厚的氮化硅介質(zhì)層；10)光刻并刻蝕氮化硅介質(zhì)層，保留在驅(qū)動(dòng)電極、空氣橋下方的CPW信號線、引線和終端電阻上的氮化硅介質(zhì)層；11)淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層在砷化鎵襯底上涂覆1.6 μ m厚的聚酰亞胺犧牲層，填滿所有凹坑，其中，聚酰亞胺犧牲層的厚度決定了 MEMS固支梁與其下方驅(qū)動(dòng)電極上的氮化硅介質(zhì)層之間的距離，以及空氣橋的高度；光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留MEMS固支梁和空氣橋下方的犧牲層；12)通過蒸發(fā)方式生長用于電鍍的底金蒸發(fā)鈦/金/鈦，作為底金，其厚度為 500/1500/300A；13)涂覆光刻膠，去除預(yù)備制作MEMS固支梁、空氣橋、MEMS固支梁的錨區(qū)、主線和副線CPW、主線和副線ACPS以及電輸入壓焊塊地方的光刻膠；14)電鍍一層金，其厚度為2 μ m ；15)去除在步驟13)中留下的光刻膠；16)反刻鈦/金/鈦，腐蝕底金，形成MEMS固支梁、空氣橋、以及完整的MEMS固支梁的錨區(qū)、主線和副線CPW、主線和副線ACPS以及電輸入壓焊塊；17)將該砷化鎵襯底背面減薄至100 μ m ；18)釋放聚酰亞胺犧牲層顯影液浸泡，去除MEMS固支梁和空氣橋下的聚酰亞胺犧牲層，去離子水浸泡，無水乙醇脫水，常溫下?lián)]發(fā)，晾干，得到微電子機(jī)械固支梁式定向微波功率耦合器。本發(fā)明提供了一種基于MEMS技術(shù)的固支梁式定向微波功率耦合器及其制備方法，為了實(shí)現(xiàn)微波功率耦合器具有耦合和不耦合兩種工作狀態(tài)，該耦合器具有一個(gè)MEMS固支梁結(jié)構(gòu)，位于由ACPS構(gòu)成的副線耦合部分并作為耦合部分的一段耦合線段；當(dāng)耦合器副線上MEMS固支梁結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電極未施加驅(qū)動(dòng)電壓，那么固支梁結(jié)構(gòu)處于UP狀態(tài)，此時(shí)作為副線耦合部分的一段耦合線段的固支梁，與主線傳輸部分不在同一平面且存在一定的高度差，通過設(shè)計(jì)由ACPS構(gòu)成的主線傳輸部分與副線耦合部分的長度和兩者之間的間距以及 MEMS固支梁的高度，使副線耦合部分幾乎不會(huì)從主線耦合微波功率到副線中去，因而微波功率耦合器處于不耦合狀態(tài)；當(dāng)耦合器副線上MEMS固支梁結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電極施加驅(qū)動(dòng)電壓， 固支梁受驅(qū)動(dòng)電極上電荷吸引而貼近驅(qū)動(dòng)電極，固支梁結(jié)構(gòu)處于DOWN狀態(tài)，此時(shí)固支梁被吸合到驅(qū)動(dòng)電極的氮化硅介質(zhì)層表面上，作為副線耦合部分的一段耦合線段，并且此時(shí)固支梁與主線傳輸部分幾乎在同一平面內(nèi)，通過設(shè)計(jì)MEMS固支梁的長度，使副線耦合部分從主線耦合一定比例的微波功率到副線中去，即可以根據(jù)要求設(shè)計(jì)在固支梁結(jié)構(gòu)處于DOWN 狀態(tài)時(shí)定向微波功率耦合器的耦合度，因而微波功率耦合器處于耦合狀態(tài)。本發(fā)明通過設(shè)計(jì)耦合器主線、副線的長度和間距，以及可動(dòng)的MEMS固支梁在副線上的長度和高度，可以根據(jù)要求設(shè)計(jì)微波功率耦合器在耦合狀態(tài)時(shí)的耦合度，所述可動(dòng)的 MEMS固支梁是指固支梁具有UP和DOWN兩種狀態(tài)；通過驅(qū)動(dòng)電極控制MEMS固支梁的驅(qū)動(dòng)電壓，控制MEMS固支梁結(jié)構(gòu)是否處于DOWN或UP狀態(tài)，對應(yīng)副線耦合部分是否從主線耦合一定比例的微波功率到副線中去，也就是該微波功率耦合器實(shí)現(xiàn)耦合和不耦合兩種狀態(tài)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，主線和副線CPW、主線和副線ACPS、MEMS固支梁結(jié)構(gòu)、終端電阻、空氣橋結(jié)構(gòu)、引線以及壓焊塊制作在同一塊砷化鎵襯底上。如果主線傳輸部分與副線耦合部分的長度等于四分之一波長，通過設(shè)計(jì)主線傳輸部分與副線耦合部分的間距以及MEMS固支梁的長度，可使固支梁結(jié)構(gòu)處于DOWN狀態(tài)時(shí)，微波功率耦合器的耦合度達(dá)到極大值。有益效果本發(fā)明的微電子機(jī)械固支梁式定向微波功率耦合器不但具有傳統(tǒng)定向微波功率耦合器的低損耗、高隔離度和良好的方向性特點(diǎn)，而且通過控制MEMS固支梁的驅(qū)動(dòng)電壓使該微波功率耦合器能夠?qū)崿F(xiàn)耦合和不耦合兩種狀態(tài)，減少不必要的損耗。


圖1為本發(fā)明微波功率耦合器的示意圖；圖2為本發(fā)明MEMS固支梁結(jié)構(gòu)的局部示意圖，(a)為俯視圖，(b)為圖2(a)的A-A 向剖面圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明微波功率耦合器為四端口微波器件，如圖1所示，以砷化鎵襯底19為基底， 包括主線5和副線6，四端口為主線輸入端口 1、主線輸出端口 2、副線耦合輸出端口 3和副線隔離端口 4，副線6與主線5耦合的部分設(shè)有MEMS固支梁9，MEMS固支梁9作為副線6 的一段耦合線段，并位于副線6的中部；MEMS固支梁9下方設(shè)有驅(qū)動(dòng)電極11，對應(yīng)驅(qū)動(dòng)電極 11在副線6外側(cè)設(shè)有壓焊塊18，通過引線17與驅(qū)動(dòng)電極11連接。其中主線5包括由共面波導(dǎo)CPW構(gòu)成主線輸入端口 1、主線輸出端口 2，和由不對稱共面帶線ACPS構(gòu)成功率傳輸部分7 ；副線6包括由CPW構(gòu)成副線耦合輸出端口 3、副線隔離端口 4，和由ACPS構(gòu)成功率耦合部分8 ；CPff由一個(gè)信號線和兩個(gè)地線16組成，ACPS由一個(gè)信號線和一個(gè)地線16組成，CPW和ACPS的信號線組合構(gòu)成主線信號線15、副線信號線 15' ；MEMS固支梁9通過MEMS固支梁錨區(qū)10與功率耦合部分8固定連接，驅(qū)動(dòng)電極11的兩端不與MEMS固支梁的錨區(qū)10相連接，副線6外側(cè)設(shè)有兩個(gè)電輸入壓焊塊18，分別通過引線17與驅(qū)動(dòng)電極11和副線ACPS的地線16相連接，其中，連接驅(qū)動(dòng)電極11和電輸入壓焊塊18的引線17隔開副線ACPS的地線16，耦合器中所有被隔開的地線通過空氣橋13相連接；驅(qū)動(dòng)電極11、所述引線17的隔開地線16的部分、以及空氣橋13下方非地線的部分被氮化硅介質(zhì)層12覆蓋。CPW用于實(shí)現(xiàn)微波信號在耦合器主線5端口上的輸入與輸出，和在耦合器副線6端口上的耦合輸出和隔離，以及測試儀器與ACPS、ACPS與終端電阻14的電路連接。CPW由一個(gè)信號線15和兩個(gè)地線16組成，采用金材料構(gòu)成。ACPS用于實(shí)現(xiàn)微波信號在耦合器內(nèi)主線5上的傳輸和副線6上的耦合，以及主線輸入端口 1與主線輸出端口 2、副線耦合輸出端口 3與副線隔離端口 4的電路連接。主線的輸入1與輸出端口 2和副線的耦合輸出3與隔離端口 4均由CPW構(gòu)成，然而用于微波信號在耦合器內(nèi)傳輸部分7的主線5和用于微波信號在耦合器內(nèi)耦合部分8的副線6是由ACPS 構(gòu)成。ACPS由一個(gè)信號線15和一個(gè)地線16組成，采用金材料構(gòu)成。本發(fā)明定向微波功率耦合器具有一個(gè)MEMS固支梁結(jié)構(gòu)，它位于副線功率耦合部分8上并作為功率耦合部分8的一段耦合線段；如圖2(a) (b)所示，MEMS固支梁的錨區(qū)10 與副線ACPS的信號線15'相連接；MEMS固支梁9下方設(shè)有驅(qū)動(dòng)電極11，且驅(qū)動(dòng)電極11的兩端不與MEMS固支梁的錨區(qū)10相連接；連接驅(qū)動(dòng)電極11的引線17穿過副線ACPS的地線16并與耦合器結(jié)構(gòu)外部的壓焊塊18相連接，被引線17隔開的副線ACPS的地線16通過空氣橋13相連接；驅(qū)動(dòng)電極11和穿過副線ACPS地線的引線17被氮化硅介質(zhì)層12覆蓋。 通過設(shè)計(jì)主副線ACPS的長度和間距以及MEMS固支梁9的長度和高度，實(shí)現(xiàn)對定向微波功率耦合器在耦合狀態(tài)時(shí)的耦合度的設(shè)計(jì)；通過控制固支梁的驅(qū)動(dòng)電極11有無驅(qū)動(dòng)電壓用來控制MEMS固支梁9是否處于DOWN或UP狀態(tài)，對應(yīng)副線耦合部分8是否從主線5耦合一定比例的微波功率到副線6中去，也就是該固支梁式定向微波功率耦合器是否處于耦合狀態(tài)。MEMS固支梁9、MEMS固支梁的錨區(qū)10、驅(qū)動(dòng)電極11、空氣橋13、引線17和壓焊塊18均采用金材料構(gòu)成?？諝鈽?3用于連接所有被分隔開的地線，包括耦合器四端口附近被CPW信號線隔開的CPW的地線16，以及被引線17隔開的副線ACPS的地線16，本發(fā)明的具體實(shí)施例中，主線兩端口的CPW和ACPS共用一個(gè)地線，副線兩端口的CPW和ACPS共用一個(gè)地線。微波功率耦合器處于耦合狀態(tài)時(shí)，當(dāng)耦合器的主線輸入端1匹配，在任何頻率處耦合到副線隔離端口 4上的微波功率為零，即耦合器完全隔離；當(dāng)主線輸入端1失配時(shí)，本發(fā)明設(shè)置的與副線的隔離端口 4連接的終端電阻14，完全吸收因主線輸入端1失配而從主線傳輸部分7耦合到副線隔離端口 4上的微波功率；保證了被副線6耦合出的一定比例微波功率完全由副線的耦合輸出端口 3輸出。終端電阻14被氮化硅介質(zhì)層12覆蓋，其作用是保護(hù)終端電阻14與副線隔離端口 4的電路連接。終端電阻14采用氮化鉭材料構(gòu)成。本發(fā)明的微電子機(jī)械固支梁式定向微波功率耦合器是一個(gè)四端口微波器件，主線 5上兩端口用于微波功率的輸入與輸出而副線6上兩端口用于被耦合出微波功率的耦合輸出與隔離。微波信號從由CPW構(gòu)成的主線輸入端口 1輸入，經(jīng)由ACPS構(gòu)成的主線傳輸部分 7，最后從由CPW構(gòu)成的主線輸出端口 2輸出；在距主線傳輸部分7 —定距離處有一段相等長度的耦合線段作為由ACPS構(gòu)成的副線耦合部分8 ；由ACPS構(gòu)成的副線耦合部分8在耦合器處于耦合狀態(tài)時(shí)能夠把由ACPS構(gòu)成的主線傳輸部分7上微波功率按一定比例耦合出來， 然而在耦合器處于不耦合狀態(tài)時(shí)幾乎沒有把由ACPS構(gòu)成的主線傳輸部分7上微波功率耦合出來；在耦合器處于耦合狀態(tài)時(shí)，當(dāng)耦合器的主線輸入端口 1匹配時(shí)，被耦合到副線6上的微波功率完全由副線耦合輸出端口 3輸出，此時(shí)耦合器的副線隔離端口 4沒有功率輸出， 則連接到副線隔離端口 4的終端電阻14沒有吸收被耦合出來的微波功率，即耦合器完全隔離，然而當(dāng)耦合器的主線輸入端口 1失配時(shí)，被耦合到副線6上的微波功率部分由副線耦合輸出端口 3輸出，此時(shí)耦合器的副線隔離端口 4存在一部分功率輸出，則連接到副線隔離端口 4的終端電阻14吸收這部分被耦合出來的微波功率。該微波功率耦合器具有一個(gè)MEMS 固支梁結(jié)構(gòu)，它位于由ACPS構(gòu)成的副線耦合部分8并作為耦合部分8的一段耦合線段；當(dāng)耦合器副線6上MEMS固支梁結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電極11未施加驅(qū)動(dòng)電壓，那么固支梁結(jié)構(gòu)處于UP 狀態(tài)，通過設(shè)計(jì)由ACPS構(gòu)成的主線傳輸部分7與副線耦合部分8的長度和兩者之間的間距以及MEMS固支梁9的高度，使副線耦合部分8幾乎沒有從主線5耦合微波功率到副線6中去，因而微波功率耦合器處于不耦合狀態(tài)；當(dāng)耦合器副線6上MEMS固支梁結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電極 11施加驅(qū)動(dòng)電壓，那么固支梁結(jié)構(gòu)處于DOWN狀態(tài)，通過設(shè)計(jì)MEMS固支梁9的長度，使副線耦合部分8從主線5耦合一定比例的微波功率到副線6中去，即可以根據(jù)要求設(shè)計(jì)在固支梁結(jié)構(gòu)處于DOWN狀態(tài)時(shí)定向微波功率耦合器的耦合度，因而微波功率耦合器處于耦合狀態(tài)。如果主線傳輸部分7與副線耦合部分8的長度等于四分之一波長，通過設(shè)計(jì)主線傳輸部分7與副線耦合部分8的間距以及MEMS固支梁9的長度，可使固支梁結(jié)構(gòu)處于DOWN狀態(tài)微波功率耦合器的耦合度達(dá)到極大值。微電子機(jī)械固支梁式定向微波功率耦合器的制備方法為，基于GaAs匪IC工藝，包括以下步驟1)準(zhǔn)備襯底，選用半絕緣砷化鎵襯底19作為基底，在襯底正面制備耦合器；2)在襯底上涂覆光刻膠，并去除預(yù)備制作氮化鉭終端電阻14的位置處的光刻膠；3)在襯底上濺射氮化鉭，其厚度為1 μ m ；4)將步驟2)中留下的光刻膠剝離去除，連帶去除光刻膠上面的氮化鉭；5)在襯底正面涂覆光刻膠，再去除預(yù)備制作主線和副線CPW、主線和副線ACPS、 MEMS固支梁的錨區(qū)10、驅(qū)動(dòng)電極11、引線17以及電輸入壓焊塊18地方的光刻膠；6)在步驟5)處理后的砷化鎵襯底上，通過蒸發(fā)方式生長一層金，其厚度為 0. 3μ ；7)將步驟5)中留下的光刻膠去除，連帶去除了光刻膠上面的金，形成驅(qū)動(dòng)電極11 和引線17，并初步形成主線和副線CPW、主線和副線ACPS、MEMS固支梁的錨區(qū)10以及電輸入壓焊塊18 ；8)反刻氮化鉭，形成與副線隔離端口 4相連接的終端電阻14，其方塊電阻為 25 Ω / □；9)淀積氮化硅在前面步驟處理得到的砷化鎵襯底19上用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相淀積法工藝PECVD生長1000Α厚的氮化硅介質(zhì)層；
10)光刻并刻蝕氮化硅介質(zhì)層，保留在驅(qū)動(dòng)電極11、空氣橋13下方的CPW信號線、 引線17和終端電阻14上的氮化硅介質(zhì)層；11)淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層在砷化鎵襯底19上涂覆1. 6 μ m厚的聚酰亞胺犧牲層，填滿所有凹坑，其中，聚酰亞胺犧牲層的厚度決定了 MEMS固支梁9與其下方驅(qū)動(dòng)電極11上的氮化硅介質(zhì)層12之間的距離，以及空氣橋13的高度；光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留MEMS固支梁9和空氣橋13下方的犧牲層；12)通過蒸發(fā)方式生長用于電鍍的底金蒸發(fā)鈦/金/鈦，作為底金，其厚度為 500/1500/300A；13)涂覆光刻膠，去除預(yù)備制作MEMS固支梁9、空氣橋13、MEMS固支梁的錨區(qū)10、 主線和副線CPW、主線和副線ACPS以及電輸入壓焊塊18地方的光刻膠；14)電鍍一層金，其厚度為2 μ m ；15)去除在步驟13)中留下的光刻膠；16)反刻鈦/金/鈦，腐蝕底金，形成MEMS固支梁9、空氣橋13、以及完整的MEMS 固支梁的錨區(qū)10、主線和副線CPW、主線和副線ACPS以及電輸入壓焊塊18 ；17)將該砷化鎵襯底19背面減薄至100 μ m ；18)釋放聚酰亞胺犧牲層顯影液浸泡，去除MEMS固支梁9和空氣橋13下的聚酰亞胺犧牲層，去離子水浸泡，無水乙醇脫水，常溫下?lián)]發(fā)，晾干，得到微電子機(jī)械固支梁式定向微波功率耦合器。本發(fā)明通過MEMS固支梁實(shí)現(xiàn)對微波功率耦合器的耦合狀態(tài)的控制，在微波功率耦合器處于耦合狀態(tài)時(shí)通過副線耦合部分上的耦合線段把主線上微波功率按一定比例耦合到副線中去；為了實(shí)現(xiàn)微波功率耦合器具有耦合和不耦合兩種工作狀態(tài)，該耦合器具有一個(gè)MEMS固支梁結(jié)構(gòu)，位于由ACPS構(gòu)成的副線耦合部分并作為耦合部分的一段耦合線段； 當(dāng)耦合器副線上MEMS固支梁結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電極未施加驅(qū)動(dòng)電壓，那么固支梁結(jié)構(gòu)處于UP狀態(tài)，通過設(shè)計(jì)由ACPS構(gòu)成的主線傳輸部分與副線耦合部分的長度和兩者之間的間距以及 MEMS固支梁的高度，使副線耦合部分幾乎沒有從主線耦合微波功率到副線中去，因而微波功率耦合器處于不耦合狀態(tài)；當(dāng)耦合器副線上MEMS固支梁結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電極施加驅(qū)動(dòng)電壓， 那么固支梁結(jié)構(gòu)處于DOWN狀態(tài)，通過設(shè)計(jì)MEMS固支梁的長度，使副線耦合部分從主線耦合一定比例的微波功率到副線中去，即可以根據(jù)要求設(shè)計(jì)在固支梁結(jié)構(gòu)處于DOWN狀態(tài)時(shí)定向微波功率耦合器的耦合度，因而微波功率耦合器處于耦合狀態(tài)。滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即屬于本發(fā)明的微電子機(jī)械固支梁式定向微波功率耦合器。本發(fā)明的微電子機(jī)械固支梁式定向微波功率耦合器不但具有傳統(tǒng)定向微波功率耦合器的低損耗、高隔離度和良好的方向性特點(diǎn)，而且該微波功率耦合器具有耦合和不耦合兩種工作狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種微電子機(jī)械固支梁式定向微波功率耦合器，為四端口微波器件，包括主線(5) 和副線(6)，四端口為主線輸入端口(1)、主線輸出端口(2)、副線耦合輸出端口(3)和副線隔離端口(4)，其特征是以砷化鎵襯底(19)為基底，在基底上設(shè)置主線(5)和副線(6)，副線(6)與主線(5)耦合的部分設(shè)有MEMS固支梁(9)，MEMS固支梁(9)作為副線(6)的一段耦合線段，并位于副線(6)中部；MEMS固支梁(9)下方設(shè)有驅(qū)動(dòng)電極(11)，對應(yīng)驅(qū)動(dòng)電極 (11)在副線(6)外側(cè)設(shè)有電輸入壓焊塊(18)，通過引線(17)與驅(qū)動(dòng)電極(11)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電子機(jī)械固支梁式定向微波功率耦合器，其特征是主線 (5)包括由共面波導(dǎo)CPW構(gòu)成主線輸入端口(1)、主線輸出端口(2)，和由不對稱共面帶線 ACPS構(gòu)成功率傳輸部分(7)；副線(6)包括由CPW構(gòu)成副線耦合輸出端口(3)、副線隔離端口(4)，和由ACPS構(gòu)成功率耦合部分(8) ；CPW由一個(gè)信號線和兩個(gè)地線(16)組成，ACPS由一個(gè)信號線和一個(gè)地線(16)組成，CPW和ACPS的信號線組合構(gòu)成主線信號線(15)、副線信號線(15' ) ；MEMS固支梁(9)通過MEMS固支梁錨區(qū)(10)與功率耦合部分⑶固定連接， 驅(qū)動(dòng)電極(11)的兩端不與MEMS固支梁的錨區(qū)(10)相連接，副線(6)外側(cè)設(shè)有兩個(gè)電輸入壓焊塊(18)，分別通過引線(17)與驅(qū)動(dòng)電極(11)和副線ACPS的地線(16)相連接，其中，連接驅(qū)動(dòng)電極(11)和電輸入壓焊塊(18)的引線(17)隔開副線ACPS的地線(16)，耦合器中所有被隔開的地線通過空氣橋(13)相連接；驅(qū)動(dòng)電極(11)、所述引線(17)隔開地線(16) 的部分、以及空氣橋(13)下方非地線的部分被氮化硅介質(zhì)層(12)覆蓋。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微電子機(jī)械固支梁式定向微波功率耦合器，其特征是主線和副線CPW、主線和副線ACPS, MEMS固支梁(9)、MEMS固支梁錨區(qū)(10)、驅(qū)動(dòng)電極(11)、空氣橋(13)、引線(17)和電輸入壓焊塊(18)的材料均為金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的微電子機(jī)械固支梁式定向微波功率耦合器，其特征是副線隔離端口(4)設(shè)有氮化鉭材料構(gòu)成的終端電阻(14)，終端電阻(14)上覆蓋氮化硅介質(zhì)層(12)。
5.權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的微電子機(jī)械固支梁式定向微波功率耦合器的制備方法， 其特征是基于GaAs匪IC工藝，包括以下步驟1)準(zhǔn)備襯底，選用半絕緣砷化鎵襯底(19)作為基底，在襯底正面制備耦合器；2)在襯底上涂覆光刻膠，并去除預(yù)備制作氮化鉭終端電阻(14)的位置處的光刻膠；3)在襯底上濺射氮化鉭，其厚度為Iym;4)將步驟2)中留下的光刻膠剝離去除，連帶去除光刻膠上面的氮化鉭；5)在襯底正面涂覆光刻膠，再去除預(yù)備制作主線和副線CPW、主線和副線ACPS、MEMS固支梁的錨區(qū)(10)、驅(qū)動(dòng)電極(11)、引線(17)以及電輸入壓焊塊(18)地方的光刻膠；6)在步驟5)處理后的砷化鎵襯底上，通過蒸發(fā)方式生長一層金，其厚度為0.3μπι;7)將步驟5)中留下的光刻膠去除，連帶去除了光刻膠上面的金，形成驅(qū)動(dòng)電極(11)和引線(17)，并初步形成主線和副線CPW、主線和副線ACPS、MEMS固支梁的錨區(qū)(10)以及電輸入壓焊塊(18)；8)反刻氮化鉭，形成與副線隔離端口(4)相連接的終端電阻(14)，其方塊電阻為 25 Ω / □；9)淀積氮化硅在前面步驟處理得到的砷化鎵襯底(19)上用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相淀積法工藝PECVD生長1000Α厚的氮化硅介質(zhì)層；10)光刻并刻蝕氮化硅介質(zhì)層，保留在驅(qū)動(dòng)電極(11)、空氣橋(13)下方的CPW信號線、 引線(17)和終端電阻(14)上的氮化硅介質(zhì)層；11)淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層在砷化鎵襯底(19)上涂覆1.6μπι厚的聚酰亞胺犧牲層，填滿所有凹坑，其中，聚酰亞胺犧牲層的厚度決定了 MEMS固支梁(9)與其下方驅(qū)動(dòng)電極(11)上的氮化硅介質(zhì)層(12)之間的距離，以及空氣橋(13)的高度；光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留MEMS固支梁(9)和空氣橋(13)下方的犧牲層；12)通過蒸發(fā)方式生長用于電鍍的底金蒸發(fā)鈦/金/鈦，作為底金，其厚度為 500/1500/ 300Α；13)涂覆光刻膠，去除預(yù)備制作MEMS固支梁(9)、空氣橋(13)、MEMS固支梁的錨區(qū) (10)、主線和副線CPW、主線和副線ACPS以及電輸入壓焊塊(18)地方的光刻膠；14)電鍍一層金，其厚度為2μπι;15)去除在步驟13)中留下的光刻膠；16)反刻鈦/金/鈦，腐蝕底金，形成MEMS固支梁(9)、空氣橋(13)、以及完整的MEMS 固支梁的錨區(qū)(10)、主線和副線CPW、主線和副線ACPS以及電輸入壓焊塊(18)；17)將該砷化鎵襯底(19)背面減薄至IOOym；18)釋放聚酰亞胺犧牲層顯影液浸泡，去除MEMS固支梁(9)和空氣橋(13)下的聚酰亞胺犧牲層，去離子水浸泡，無水乙醇脫水，常溫下?lián)]發(fā)，晾干，得到微電子機(jī)械固支梁式定向微波功率耦合器。
全文摘要
一種微電子機(jī)械固支梁式定向微波功率耦合器及其制備方法，耦合器為四端口微波器件，包括主線和副線，四端口為主線輸入端口、主線輸出端口、副線耦合輸出端口和副線隔離端口，以砷化鎵襯底為基底，在基底上設(shè)置主線和副線，副線與主線耦合的部分設(shè)有MEMS固支梁，MEMS固支梁作為副線的一段耦合線段；MEMS固支梁下方設(shè)有驅(qū)動(dòng)電極，對應(yīng)驅(qū)動(dòng)電極在副線外側(cè)設(shè)有壓焊塊，通過引線與驅(qū)動(dòng)電極連接。本發(fā)明的微電子機(jī)械固支梁式定向微波功率耦合器不但具有傳統(tǒng)定向微波功率耦合器的低損耗、高隔離度和良好的方向性的特點(diǎn)，而且通過控制MEMS固支梁的驅(qū)動(dòng)電壓使該微波功率耦合器能夠?qū)崿F(xiàn)耦合和不耦合兩種狀態(tài)，減少不必要的功率損耗。
文檔編號H01P5/18GK102255128SQ20101024018
公開日2011年11月23日 申請日期2010年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月29日
發(fā)明者廖小平, 張志強(qiáng) 申請人:東南大學(xué)