一種新型MEMS微波功率傳感器的設(shè)計與模擬

摘 要：提出了一種新型的三明治結(jié)構(gòu)MEMS微波功率傳感器結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)傳感器相比，新結(jié)構(gòu)由于采用了垂直傳熱方式而具有較小的熱損耗。在輸入相同功率的情況下，模擬了熱電堆的溫度分布，三明治結(jié)構(gòu)熱電堆的溫度高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因此具有更高的靈敏度。同時模擬了兩種結(jié)構(gòu)的阻抗匹配特性，其差異不大，在1～6 GHz的頻率范圍內(nèi)，三明治結(jié)構(gòu)的回波損耗小于-30 dB；在6～20 GHz的頻率范圍內(nèi)，其回波損耗小于-20 dB，顯示了良好的匹配特性。

關(guān)鍵詞：MEMS；微波功率傳感器；三明治結(jié)構(gòu)；熱傳導(dǎo)；回波損耗

微波信號的功率是微波電路、微波系統(tǒng)中最重要的參數(shù)之一，微波功率傳感器可以用于測量微波信號的功率，而基于熱電轉(zhuǎn)換的微波功率傳感器是各種同類型傳感器中最為準(zhǔn)確的一種_1]。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、科技的進步，這種傳感器已被廣泛應(yīng)用于測量微波發(fā)射機／接收機的輸出／輸人功率、振蕩器的輸出功率、信號源的輸出電平等，具有快速響應(yīng)、高靈敏度、寬頻帶和高燒毀水平等優(yōu)點，在國防、通訊、科研等領(lǐng)域有著廣泛的用途。

到目前為止，已經(jīng)有很多文獻[2—5]報導(dǎo)了各種不同結(jié)構(gòu)形式的基于熱電堆類型的微波功率傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，它以共面波導(dǎo)(CPW)為傳輸線接收待測微波功率，在共面波導(dǎo)的終端放置兩個100 Q的匹配電阻把吸收到的微波功率轉(zhuǎn)化為熱量，此熱量使得放置在電阻附近的熱電堆溫度升高，根據(jù)Seebeck效應(yīng)，在熱電堆兩端有直流電壓輸出，通過測量這一電壓便可得到輸人微波信號的功率。傳統(tǒng)微波功率傳感器一直存在著靈敏度不高的問題，原因在于終端負(fù)載電阻在傳熱過程中會有大量的熱損失，為了減小各種熱損失帶來的測量誤差，一些文獻采用了各種復(fù)雜的工藝形成了諸如懸臂梁式[63、島式[7]、襯底掏空式[8]傳感器結(jié)構(gòu)，以提高傳感器熱阻的方式來降低上述各種熱損失，這些措施在一定程度上提高了功率測量的準(zhǔn)確度，但也增加了工藝的難度，為了解決上述困難，本文提出了一種新型的三明治結(jié)構(gòu)MEMS微波功率傳感器，可以在較大程度上提高傳感器的測量精度，減少工藝的復(fù)雜程度。

終端負(fù)載電阻 熱電堆

圖1 傳統(tǒng)的微波功率傳感器結(jié)構(gòu)

1 新型微波功率傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理

傳統(tǒng)微波功率傳感器存在著各種熱損失，包括熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射損失。其中熱傳導(dǎo)損失最為嚴(yán)重，原因在于終端負(fù)載電阻在傳熱過程中要經(jīng)過砷化鎵襯底以水平方向傳熱的形式進行熱傳遞，中途會導(dǎo)致大量的熱損失，因而靈敏度受此影響而無法提高，為了解決上述困難，本文提出了一種新型的微波功率傳感器結(jié)構(gòu)，其剖面圖如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和三明治結(jié)構(gòu)傳感器剖面圖

從圖2中可以看出，與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相比，新型結(jié)構(gòu)使用了四個并聯(lián)的200 Q終端負(fù)載電阻呈上下分

布的垂直結(jié)構(gòu)，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)中使用兩個i00 Q負(fù)載電阻的水平結(jié)構(gòu)，將熱電堆夾在電阻中間，這里稱為三明治結(jié)構(gòu)。相對于傳統(tǒng)的微波功率傳感器結(jié)構(gòu)，三明治型結(jié)構(gòu)由于采用了垂直傳熱的形式，因而大大減少了熱量的損失，靈敏度有了大幅提升。