专利名称：基于微机械硅基悬臂梁的相位检测器及检测方法
技术领域：
本发明提出了基于微机械硅基悬臂梁的相位检测器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术：
随着雷达技术的发展，特别是在相控阵雷达、相控阵天线及加速器等较新的技术出现以后，相移量的测量显得日趋重要。现有的相位检测的方法有以下几种利用二极管检波，利用乘法器结构和利用矢量运算法则实现相位检测，以上方法的缺点是都需要相对复杂的结构。随着微电子技术的发展，现代个人通信系统和雷达系统要求微波相位检测器具有简单的结构，小的体积以及小的功耗。MEMS系统具有体积小、功耗低、成本低等优点，本发明的目的正是要提出一种基于MEMS技术的微波信号相位检测器的实现方法。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种基于微机械硅基悬臂梁的相位检测器及检测方法，待测信号加载在Si MOSFET (硅基金属-氧化物-半导体场效应管)的栅上，参考信号加载到MEMS悬臂梁的锚区上，当下拉电极加直流偏置而使MEMS悬臂梁处于down (向下拉)态时，待测信号和参考信号同时加载到栅极上，通过检测源漏极饱和电流，实现了微波信号相位的在线检测。技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于微机械硅基悬臂梁的相位检测器，该相位检测器包括
硅衬底，生长在硅衬底表面上的用于输出饱和电流的源极和漏极，源极与漏极相对设置，在源极或漏极的外侧设有悬臂梁锚区，跨接在源极和漏极之间的栅氧化层，设置在栅氧化层表面的栅极，设置在在该栅极上方且与栅极相对的悬臂梁，悬臂梁的一端与悬臂梁锚区相连；
在栅极远离固定梁锚区的一侧设有下拉电极，下拉电极被绝缘介质层覆盖；
源极接地，漏极接正电压；
参考信号加载在的栅极上，待测信号加载在悬臂梁上。本发明还提供了一种用于基于微机械硅基悬臂梁的相位检测器的相位检测方法，该方法包括如下步骤
源极与漏极是重掺杂的N+区，且分别用于输出饱和电流，栅极的材料是多晶硅；正常工作时，源极接地，漏极接正电压Vdd，多晶硅栅极接负电压，栅极和悬臂梁上电压调整沟道耗尽层的宽度，改变源极与漏极之间的饱和电流的大�。醇肼┘涑霰ズ偷缌鞯拇笮“肆礁鲂藕诺南辔徊钚畔ⅲ�
参考信号加载在悬臂梁锚区，待测信号加载在栅极；当下拉电极上没有直流偏置时，SiMOSFET处在非相位检测状态；
当在下拉电极上加载直流偏置时，悬臂梁被下拉且与栅极接触时，两个频率相同而存在一定相位差的微波信号同时加载到栅极上，Si MOSFET在在线相位检测状态，源极与漏极之间的饱和电流输出包含了相位信息的电流分量；漏极饱和电流通过隔直电容和低通滤波器，滤去闻频彳目号，得到相位差"[目息的电流"[目号。有益效果与现有的相位检测器相比，这种新型的基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET相位检测器具有以下显著的优点
USi MOSFET的源漏极饱和电流由两个电压共同控制，输出电流是两个栅电压的乘积，起到了相位检测器的作用；
2>MEMS悬臂梁可动结构和下拉电极的存在，使得相位检测器可以处在在线检测和非检测状态下；
该相位检测器的制作基于后CMOS微机械加工工艺，采用标准的CMOS技术。
I是基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET相位检测器的俯视 图2是基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET相位检测器的A-A’剖面 图3是基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET相位检测器的B-B’剖面 图中包括Si衬底1，源极2，漏极3，栅氧化层4，栅极5，MEMS悬臂梁锚区6，MEMS悬臂梁7，下拉电极8，锚区压焊块9，下拉电极压焊块10，栅极压焊块11，下拉电极介质层12。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步说明。参见图1-3，I、一种基于微机械硅基悬臂梁的相位检测器，该相位检测器包括硅衬底1，生长在硅衬底I表面上的用于输出饱和电流的源极2和漏极3，源极2与漏极3相对设置，在源极2或漏极3的外侧设有悬臂梁锚区6，跨接在源极2和漏极3之间的栅氧化层4，设置在栅氧化层4表面的栅极5，设置在在该栅极5上方且与栅极5相对的悬臂梁7，悬臂梁7的一端与悬臂梁锚区6相连；
在栅极5远离固定梁锚区6的一侧设有下拉电极8，下拉电极8被绝缘介质层12覆盖； 源极2接地，漏极3接正电压；
参考信号加载在的栅极5上，待测信号加载在悬臂梁7上。本发明还提供一种用于基于微机械硅基悬臂梁的相位检测器的相位检测方法，该方法包括如下步骤
源极2与漏极3是重掺杂的N+区，且分别用于输出饱和电流，栅极5的材料是多晶硅；正常工作时，源极2接地，漏极接正电压Vdd，多晶硅栅极5接负电压，栅极5和悬臂梁7上电压调整沟道耗尽层的宽度，改变源极2与漏极3之间的饱和电流的大�。醇�2与漏极3输出饱和电流的大小包含了两个信号的相位差信息；
参考信号加载在悬臂梁锚区6，待测信号加载在栅极5 ;当下拉电极8上没有直流偏置时，Si MOSFET处在非相位检测状态；
当在下拉电极8上加载直流偏置时，悬臂梁7被下拉且与栅极5接触时，两个频率相同 而存在一定相位差的微波信号同时加载到栅极5上，Si MOSFET处在在线相位检测状态，源极2与漏极3之间的饱和电流输出包含了相位信息的电流分量；漏极3饱和电流通过隔直电容和低通滤波器，滤去高频信号，得到相位差信息的电流信号。本发明的相位检测器是由基于MEMS悬臂梁结构的Si MOSFET和滤波器组成的。基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET是在普通MOSFET的基础上，额外增加了可动MEMS悬臂梁结构和下拉电极，并使用下拉电极来控制梁的工作状态
本发明的基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET以多晶硅为衬底，衬底上设置有栅氧化层、源极、漏极、栅极、MEMS悬臂梁结构和下拉电极。源漏区是重掺杂的N+区，栅极的材料是多晶硅。正常工作时，源极接地，漏极接Vdd，多晶硅栅极接负电压，栅极和MEMS悬臂梁上电压调整沟道耗尽层的宽度，改变源漏极之间的饱和电流的大小，输出饱和电流的大小包含了两个信号的相位差信息。
MEMS可动悬臂梁结构，位于Si MOSFET的栅极上方。下拉电极位于悬臂梁的下方，位于远离悬臂梁锚区的栅极一侧，其上覆盖氮化硅绝缘介质层。当下拉电极和悬臂梁之间没有直流偏置且栅极上的电压不变时，Si MOSFET处在非相位检测工作状态。当在下拉电极和悬臂梁之间加载直流偏置时，MEMS悬臂梁被下拉且与栅极接触时，此时，待测信号通过压焊块加到MEMS悬臂梁上。两个频率相同而存在一定相位差的微波信号，同时加载到SiMOSFET的栅极上，Si MOSFET处在相位检测工作状态，源漏极之间的饱和电流输出包含了相位信息的电流分量。源漏极饱和电流通过滤波器，滤去高频和低频信号，得到相位差信息的电流信号。基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET相位检测器的工艺过程如下
(1)初始氧化(一次氧化);
(2)一次光刻和离子注入硼B+;
(3)退火和杂质再分布；
(4)去除表面氧化层；
(5)底氧生长，形成栅氧化层；
(6)沉积氮化硅并刻蚀场区；
(7)P型场区阈值电压调整；
(8)N型场区阈值电压调整；
(9)场氧化；
(10)去除氮化硅、栅氧化层、NMOS阈值电压调整；
(11)沉积多晶硅并光刻、刻蚀多晶硅图形，形成SiMOSFET的栅极、MEMS梁下拉电极、压焊块和连接它们的引线；
(12)沉积氮化硅，形成下拉电极上的绝缘介质层；
(13)离子注入形成PMOS、NMOS的源漏区；
(14)沉积二氧化硅并光刻、刻蚀二氧化硅图形，形成MEMS梁的牺牲层；
(15)沉积多晶硅并光刻、刻蚀多晶硅图形，形成MEMS梁结构；
(16)低温沉积掺磷二氧化硅；
(17)光刻引线孔并回流；
(18)沉积第一层金属并完成第一层金属引线的光刻和刻蚀；
(19)制作双层引线间的介电材料；
(20)光刻和刻蚀双层金属间的连接通孔；(21)第二层金属光刻与刻蚀；
(22)使用各向异性腐蚀液HF腐蚀牺牲层，释放MEMS可动栅；
本文发明的基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET相位检测器的具体实施方案如下
在硅衬底I上设有源极2、漏极3、栅氧化层4、栅极5、MEMS悬臂梁锚区6、下拉电极8和下拉电极压焊块10。源极2和漏极3用于输出饱和电流，由N型重掺杂区构成。当SiMOSFET正常工作情况下，源极2接地，漏极3接正电压Vdd，N型沟道中的电子将从源极2流向漏极3，电流方向由漏极3到源极2。栅极5由多晶硅构成，接正电压。该相位检测器具有MEMS悬臂梁结构7，横跨在栅极5上，下拉电极位于悬臂梁的下方，位于远离悬臂梁锚区的栅极一侧，其上覆盖氮化硅绝缘介质层。参考信号通过压焊块11加载在Si MOSFET的栅极5上，待测信号通过压焊块9加载在MEMS悬臂梁上。当下拉电极上没有直流偏置时，MEMS悬臂梁7位于up态，Si MOSFET源漏极之间的饱和电流大小的仅与参考信号有关，Si MOSFET处于非相位检测状态。当在下拉电极8上加载直流偏置将MEMS悬臂梁7下拉与栅极5接触时，待测信号和参考信号同时加载到Si MOSFET的栅极5，两者之和同时决定了源漏极的饱和电流输出，Si MOSFET处于相位检测状态，此时通过检测源极和漏极饱和电流的大小最终实现两个同频信号的相位检测。本发明提出的基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET相位检测器采用后CMOS微机械加工技术，即在标准CMOS工艺流程结束后，进行MEMS结构的制作。基于MEMS悬臂梁的SiMOSFET相位检测器的工艺过程如下
(1)初始氧化(一次氧化)；
(2)一次光刻和离子注入硼B+;
(3)退火和杂质再分布；
(4)去除表面氧化层；
(5)底氧生长，形成栅氧化层；
(6)沉积氮化硅并刻蚀场区；
(7)P型场区阈值电压调整；
(8)N型场区阈值电压调整；
(9)场氧化；
(10)去除氮化硅、栅氧化层、NMOS阈值电压调整；
(11)沉积多晶硅并光刻、刻蚀多晶硅图形，形成SiMOSFET的栅极、MEMS梁下拉电极、压焊块和连接它们的引线；
(12)沉积氮化硅，形成下拉电极上的绝缘介质层；
(13)离子注入形成PMOS、NMOS的源漏区；
(14)沉积二氧化硅并光刻、刻蚀二氧化硅图形，形成MEMS梁的牺牲层；
(15)沉积多晶硅并光刻、刻蚀多晶硅图形，形成MEMS梁结构；
(16)低温沉积掺磷二氧化硅；
(17)光刻引线孔并回流；
(18)沉积第一层金属并完成第一层金属引线的光刻和刻蚀；
(19)制作双层引线间的介电材料；
(20)光刻和刻蚀双层金属间的连接通孔；(21)第二层金属光刻与刻蚀；
(22)使用各向异性腐蚀液HF腐蚀牺牲层，释放MEMS可动栅； 区分是否为该结构的标准如下
本发明的基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET相位检测器，为实现微波相位检测的功能，MEMS悬臂梁位于栅极上方，在栅极远离固定梁锚区的一侧设有下拉电极，当在下拉电极上加载一定的直流偏置时，MEMS悬臂梁被下拉且与栅极相连，通过压焊块加到MEMS悬臂梁上的待测信号和参考信号同时加载到Si MOSFET的栅极上，从而控制源漏极间的饱和电流的大�。迪至礁鐾滴⒉ㄐ藕畔辔坏募觳狻Ｂ阋陨咸跫慕峁辜词游痉⒚鞯幕贛EMS悬臂梁的Si MOSFET相位检测器。本发明的基于微机械硅基悬臂梁的相位检测器具有结构简单，易于测量和低直流功耗等优点。该结构以Si为衬底，在其上设有栅氧化层、源极、漏极、栅极下拉电极、连接线和压焊块。参考信号加载在Si MOSFET的栅极5上。MEMS悬臂梁结构7横跨在Si MOSFET的栅极5上，锚区6在栅极的一侧。下拉电极在悬臂梁的下方，位于栅极远离固定梁锚区的一侧设有下拉电极，其上覆盖着一层氮化硅介质层12，且通过引线与压焊块10相连。待测信号通过压焊块9加载在MEMS悬臂梁7上。当在下拉电极和悬臂梁之间加载直流偏置时，MEMS悬臂梁被下拉且与栅极接触时，两个频率相同而存在一定相位差的微波信号，同时加载到Si MOSFET的栅极上，Si MOSFET处在在线相位检测状态，源漏极之间的饱和电流输出包含了相位信息的电流分量。源漏极饱和电流通过隔直电容和低通滤波器，滤去高频，得到相位差信息的电流信号。以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
权利要求
1.一种基于微机械硅基悬臂梁的相位检测器，其特征在于该相位检测器包括 硅衬底(1)，生长在硅衬底(I)表面上的用于输出饱和电流的源极(2)和漏极(3)，源极(2)与漏极(3)相对设置，在源极(2)或漏极(3)的外侧设有悬臂梁锚区(6)，跨接在源极(2)和漏极(3)之间的栅氧化层(4)，设置在栅氧化层(4)表面的栅极(5)，设置在在该栅极(5)上方且与栅极(5)相对的悬臂梁(7)，悬臂梁(7)的一端与悬臂梁锚区(6)相连； 在栅极(5)远离固定梁锚区(6)的一侧设有下拉电极(8)，下拉电极(8)被绝缘介质层(12)覆盖； 源极(2)接地，漏极(3)接正电压； 参考信号加载在的栅极(5 )上，待测信号加载在悬臂梁(7 )上。
2.一种用于权利要求I所述基于微机械硅基悬臂梁的相位检测器的相位检测方法，其特征在于该方法包括如下步骤 源极(2)与漏极(3)是重掺杂的N+区，且分别用于输出饱和电流，栅极(5)的材料是多晶硅；正常工作时，源极(2)接地，漏极接正电压Vdd，多晶硅栅极(5)接负电压，栅极(5)和悬臂梁(7)上电压调整沟道耗尽层的宽度，改变源极(2)与漏极(3)之间的饱和电流的大�。醇�(2)与漏极(3)输出饱和电流的大小包含了两个信号的相位差信息； 参考信号加载在悬臂梁锚区(6)，待测信号加载在栅极(5);当下拉电极(8)上没有直流偏置时，硅基金属-氧化物-半导体场效应管处在非相位检测状态； 当在下拉电极(8)上加载直流偏置时，悬臂梁(7)被下拉且与栅极(5)接触时，两个频率相同而存在一定相位差的微波信号同时加载到栅极(5)上,娃基金属-氧化物-半导体场效应管处在在线相位检测状态，源极(2)与漏极(3)之间的饱和电流输出包含了相位信息的电流分量；漏极(3)饱和电流通过隔直电容和低通滤波器，滤去高频信号，得到相位差信息的电流信号。
全文摘要
本发明公开了一种基于微机械硅基悬臂梁的相位检测器和检测方法，该相位检测器包括硅衬底(1)，生长在硅衬底(1)表面上的用于输出饱和电流的源极(2)和漏极(3)，源极(2)与漏极(3)相对设置，在源极(2)或漏极(3)的外侧设有悬臂梁锚区(6)，跨接在源极(2)和漏极(3)之间的栅氧化层(4)，设置在栅氧化层(4)表面的栅极(5)。该方法包括如下步骤当在下拉电极(8)上加载直流偏置时，悬臂梁(7)被下拉且与栅极(5)接触时，两个频率相同而存在一定相位差的微波信号同时加载到栅极(5)上，漏极(3)饱和电流通过隔直电容和低通滤波器，滤去高频信号，得到相位差信息的电流信号。本发明结构简单，易于测量。
文档编号G01R25/00GK102735935SQ201210204640
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月20日 优先权日2012年6月20日
发明者华迪, 廖小平 申请人:东南大学
专业数控铣床产品供应商
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