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提出了一種新型的三明治結構MEMS微波功率傳感器結構，與傳統傳感器相比，新結構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，三明治結構熱電堆的溫度高于傳統結構，因此具有更高的靈敏度。同時模擬了兩種結構的阻抗匹配特性，其差異不大，在1～6 GHz的頻率范圍內，三明治結構的回波損耗小于-30 dB；在6～20 GHz的頻率范圍內，其回波損耗小于-20 dB，顯示了良好的匹配特性。 微波信號的功率是微波電路、微波系統中最重要的參數之一，微波功率傳感器可以用于測量微波信號的功率，而基于熱電轉換的微波功率傳感器是各種同類型傳感器中最為準確的一種。隨著經濟的發展、科技的進步，這種傳感器已被廣泛應用于測量微波發射機／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、高靈敏度、寬頻帶和高燒毀水平等優點，在國防、通訊、科研等領域有著廣泛的用途。 到目前為止，已經有很多文獻報導了各種不同結構形式的基于熱電堆類型的微波功率傳感器，其結構如圖1所示，它以共面波導(CPW)為傳輸線接收待測微波功率，在共面波導的終端放置兩個100 Q的匹配電阻把吸收到的微波功率轉化為熱量，此熱量使得放置在電阻附近的熱電堆溫度升高，根據Seebeck效應，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雜的工藝形成了諸如懸臂梁式、島式、襯底掏空式傳感器結構，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構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，減少工藝的復雜程度。 終端負載電阻 熱電堆 圖1 傳統的微波功率傳感器結構 1 新型微波功率傳感器結構及工作原理 傳統微波功率傳感器存在著各種熱損失，包括熱傳導、熱對流和熱輻射損失。其中熱傳導損失最為嚴重，原因在于終端負載電阻在傳熱過程中要經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構，其剖面圖如圖2所示。 圖2 傳統結構和三明治結構傳感器剖面圖 從圖2中可以看出，與傳統的結構相比，新型結構使用了四個并聯的200 Q終端負載電阻呈上下分布的垂直結構，來代替傳統結構中使用兩個i00 Q負載電阻的水平結構，將熱電堆夾在電阻中間，這里稱為三明治結構。相對于傳統的微波功率傳感器結構，三明治型結構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。 2 軟件模擬 2．1 溫度場模擬 使用有限元軟件ANSYS模擬了三明治結構的終端負載電阻及熱電堆溫度分布，環境溫度定為300 K，三明治結構傳感器中的GaAs襯底高度為10 tLm，共面波導中心導帶寬度為i00 tLm，高度為2tLm，長度為500 m，狹縫寬度為58 m，熱電堆長度為200 p．m，模擬得到的溫度分布如圖3所示。還模擬了具有相同結構尺寸的傳統型傳感器的溫度分布，并比較了三明治型和傳統型傳感器的熱電堆熱端溫度分布，如圖4所示。 圖3 傳感器溫度分布圖 圖4 熱電堆溫度分布圖 從圖4可以看出，在輸入相同功率的情況下(20mw)，三明治結構的熱電堆熱端(靠近終端負載電阻的一端)具有更高的溫度分布，最高點溫度達到331 K，高于傳統結構最高點10 K左右，因此在兩種結構冷端(與熱端相對的一端)溫度基本相等的情況下，由熱電堆靈敏度表達式： 可知，三明治結構的熱端和冷端具有更高的溫度差，因此，在輸入功率P】 、熱電偶對數N 和Seebeck系數 都不變的情況下，這種新型微波功率傳感器具有比傳統型傳感器高得多的靈敏度。 2．2 S參數模擬 本文中的傳感器是利用共面波導作為待測微波信號的傳輸線將其引入到測量系統中，其特性阻抗為50 Q。為了將微波信號轉化為熱量，在CPW 的末端配以四個純阻性負載電阻，每個電阻的阻值均為200 Q。對于微波信號而言，四個200 Q的是并聯的，因而形成50 Q的負載，與CPW 的特性阻抗相等，從而達到阻抗匹配的效果。 使用高頻模擬軟件HFSS模擬了傳統結構和三明治結構的回波損耗S 模擬中使用的傳感器結構參數與上面相同，模擬結果如圖5所示。 圖5(b) 使用H上t 模擬的S11 (A 曲線為三明治結構；B曲線為傳統結構) 從圖5(b)可以看出，三明治結構與傳統結構的回波損耗基本一致，在1～6 GHz的頻率范圍內，三明治結構的S 小于一30 dB，在6～2O GHz的頻率范圍內，S 小于一20 dB，保持了較小的損耗，顯示了良好的匹配特性。 3 傳感器的制備工藝 3．1 基本單元設計 微波功率傳感器中的終端負載電阻可用多種材料制備，如多晶硅電阻、鎳化鉻電阻、氮化鉭電阻等，但是由于電阻的發熱是傳感器熱傳導的核心環節，所以就要求電阻所采用材料的溫度系數要盡量小，而且為了整個傳感器的穩定性，吸收電阻必須具有長期工作的能力。根據工藝條件，并考慮到電阻的精確度、穩定性以及材料的溫度系數，采用了氮化鉭薄膜電阻作為終端負載。熱電堆的基本設計要求是要取得小的時間常數、高的響應率及小的內阻，熱電堆的這些參數由組成熱電堆的材料及其結構決定。當熱電堆的材料和熱電堆的結構確定之后，熱電堆的性能主要由熱電偶的尺寸和對數決定。減小熱電偶的長度可以減小熱電堆內阻和時間常數；增加熱電偶的長度可以增大冷熱端的溫差；增加熱電偶對數可以減小時間常數，增大響應率，增大探測率，但同時增加了內阻。在設計中應該充分考慮這些熱電堆的性能參數，并進行折中以獲得最佳結構，考慮到工藝線的實際情況，這里我們采用摻雜的GaAs以及Au作為熱電偶的兩臂來形成熱電堆，這樣不僅可以擁有較高的Seebeck系數而且內阻也比較小，并盡量加長臂長以獲得較高的溫差，同時使結構中熱電偶對數超過2O，以提高熱電堆的性能，相應地也有利于提高傳感器的靈敏度。 3．2 制備工藝 這里采用GaAs單片微波集成電路(MMIC)Z藝來實現三明治型MEMS微波功率傳感器的結構，同時使用MEMS加工工藝將熱電堆熱端下的襯底通過背面刻蝕的技術去除，以減少熱損耗，三明治微波功率傳感器的工藝流程示意圖如圖6((a)～(g))所示。 圖6 工藝流程示意圖 4 結論 本文提出了一種新型的三明治結構MEMS微波功率傳感器。這種新型傳感器是基于傳熱學原理，使用四個并聯的200 Q終端負載電阻呈上下分布的立體結構，以達到垂直傳熱的目的，而區別于傳統微波功率傳感器水平傳熱方式，因此在靈敏度上有了大幅提升。使用ANSYS模擬了三明治結構的終端負載電阻及熱電堆溫度分布并和傳統型結構做了比較，通過比較可以發現，在輸入相同功率的情況下(20 mW)，三明治結構的熱電堆熱端具有更高的溫度分布，最高點溫度達到331 K，高于傳統結構最高點1O K左右，因此在兩種結構冷端溫度基本相等的情況下，三明治結構冷熱端具有更高的溫度差，因為靈敏度和熱電堆冷熱端的溫度差成正比，所以這種新型微波功率傳感器具有比傳統型傳感器高得多的靈敏度。同時用HFSS模擬了傳統結構和三明治結構的回波損耗S 三明治結構與傳統結構的回波損耗基本一致，在1～6 GHz的頻率范圍內，三明治結構的S 小于-30 dB，在6～2O GHz的頻率范圍內，S 小于-20 dB，保持了較小的損耗。最后給出了新型傳感器的制造方法與工藝步驟。 |
