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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(shí)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。 微波信號(hào)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(cè)量微波信號(hào)的功率，而基于熱電轉(zhuǎn)換的微波功率傳感器是各種同類(lèi)型傳感器中最為準(zhǔn)確的一種。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步，這種傳感器已被廣泛應(yīng)用于測(cè)量微波發(fā)射機(jī)／接收機(jī)的輸出／輸人功率、振蕩器的輸出功率、信號(hào)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(diǎn)，在國(guó)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(xiàn)報(bào)導(dǎo)了各種不同結(jié)構(gòu)形式的基于熱電堆類(lèi)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(cè)微波功率，在共面波導(dǎo)的終端放置兩個(gè)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(guò)測(cè)量這一電壓便可得到輸人微波信號(hào)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(wèn)題，原因在于終端負(fù)載電阻在傳熱過(guò)程中會(huì)有大量的熱損失，為了減小各種熱損失帶來(lái)的測(cè)量誤差，一些文獻(xiàn)采用了各種復(fù)雜的工藝形成了諸如懸臂梁式、島式、襯底掏空式傳感器結(jié)構(gòu)，以提高傳感器熱阻的方式來(lái)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(cè)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(cè)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(duì)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(guò)程中要經(jīng)過(guò)砷化鎵襯底以水平方向傳熱的形式進(jìn)行熱傳遞，中途會(huì)導(dǎo)致大量的熱損失，因而靈敏度受此影響而無(wú)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(gè)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(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)中使用兩個(gè)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(chēng)為三明治結(jié)構(gòu)。相對(duì)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。 2 軟件模擬 2．1 溫度場(chǎng)模擬 使用有限元軟件ANSYS模擬了三明治結(jié)構(gòu)的終端負(fù)載電阻及熱電堆溫度分布，環(huán)境溫度定為300 K，三明治結(jié)構(gòu)傳感器中的GaAs襯底高度為10 tLm，共面波導(dǎo)中心導(dǎo)帶寬度為i00 tLm，高度為2tLm，長(zhǎng)度為500 m，狹縫寬度為58 m，熱電堆長(zhǎng)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(jié)構(gòu)尺寸的傳統(tǒng)型傳感器的溫度分布，并比較了三明治型和傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)的熱電堆熱端(靠近終端負(fù)載電阻的一端)具有更高的溫度分布，最高點(diǎn)溫度達(dá)到331 K，高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)10 K左右，因此在兩種結(jié)構(gòu)冷端(與熱端相對(duì)的一端)溫度基本相等的情況下，由熱電堆靈敏度表達(dá)式： 可知，三明治結(jié)構(gòu)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(duì)數(shù)N 和Seebeck系數(shù) 都不變的情況下，這種新型微波功率傳感器具有比傳統(tǒng)型傳感器高得多的靈敏度。 2．2 S參數(shù)模擬 本文中的傳感器是利用共面波導(dǎo)作為待測(cè)微波信號(hào)的傳輸線將其引入到測(cè)量系統(tǒng)中，其特性阻抗為50 Q。為了將微波信號(hào)轉(zhuǎn)化為熱量，在CPW 的末端配以四個(gè)純阻性負(fù)載電阻，每個(gè)電阻的阻值均為200 Q。對(duì)于微波信號(hào)而言，四個(gè)200 Q的是并聯(lián)的，因而形成50 Q的負(fù)載，與CPW 的特性阻抗相等，從而達(dá)到阻抗匹配的效果。 使用高頻模擬軟件HFSS模擬了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和三明治結(jié)構(gòu)的回波損耗S 模擬中使用的傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)與上面相同，模擬結(jié)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(jié)構(gòu)；B曲線為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)) 從圖5(b)可以看出，三明治結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的回波損耗基本一致，在1～6 GHz的頻率范圍內(nèi)，三明治結(jié)構(gòu)的S 小于一30 dB，在6～2O GHz的頻率范圍內(nèi)，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(shè)計(jì) 微波功率傳感器中的終端負(fù)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(fā)熱是傳感器熱傳導(dǎo)的核心環(huán)節(jié)，所以就要求電阻所采用材料的溫度系數(shù)要盡量小，而且為了整個(gè)傳感器的穩(wěn)定性，吸收電阻必須具有長(zhǎng)期工作的能力。根據(jù)工藝條件，并考慮到電阻的精確度、穩(wěn)定性以及材料的溫度系數(shù)，采用了氮化鉭薄膜電阻作為終端負(fù)載。熱電堆的基本設(shè)計(jì)要求是要取得小的時(shí)間常數(shù)、高的響應(yīng)率及小的內(nèi)阻，熱電堆的這些參數(shù)由組成熱電堆的材料及其結(jié)構(gòu)決定。當(dāng)熱電堆的材料和熱電堆的結(jié)構(gòu)確定之后，熱電堆的性能主要由熱電偶的尺寸和對(duì)數(shù)決定。減小熱電偶的長(zhǎng)度可以減小熱電堆內(nèi)阻和時(shí)間常數(shù)；增加熱電偶的長(zhǎng)度可以增大冷熱端的溫差；增加熱電偶對(duì)數(shù)可以減小時(shí)間常數(shù)，增大響應(yīng)率，增大探測(cè)率，但同時(shí)增加了內(nèi)阻。在設(shè)計(jì)中應(yīng)該充分考慮這些熱電堆的性能參數(shù)，并進(jìn)行折中以獲得最佳結(jié)構(gòu)，考慮到工藝線的實(shí)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(lái)形成熱電堆，這樣不僅可以擁有較高的Seebeck系數(shù)而且內(nèi)阻也比較小，并盡量加長(zhǎng)臂長(zhǎng)以獲得較高的溫差，同時(shí)使結(jié)構(gòu)中熱電偶對(duì)數(shù)超過(guò)2O，以提高熱電堆的性能，相應(yīng)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(lái)實(shí)現(xiàn)三明治型MEMS微波功率傳感器的結(jié)構(gòu)，同時(shí)使用MEMS加工工藝將熱電堆熱端下的襯底通過(guò)背面刻蝕的技術(shù)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(jié)論 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。這種新型傳感器是基于傳熱學(xué)原理，使用四個(gè)并聯(lián)的200 Q終端負(fù)載電阻呈上下分布的立體結(jié)構(gòu)，以達(dá)到垂直傳熱的目的，而區(qū)別于傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)的終端負(fù)載電阻及熱電堆溫度分布并和傳統(tǒng)型結(jié)構(gòu)做了比較，通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，在輸入相同功率的情況下(20 mW)，三明治結(jié)構(gòu)的熱電堆熱端具有更高的溫度分布，最高點(diǎn)溫度達(dá)到331 K，高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)1O K左右，因此在兩種結(jié)構(gòu)冷端溫度基本相等的情況下，三明治結(jié)構(gòu)冷熱端具有更高的溫度差，因?yàn)殪`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(tǒng)型傳感器高得多的靈敏度。同時(shí)用HFSS模擬了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和三明治結(jié)構(gòu)的回波損耗S 三明治結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的回波損耗基本一致，在1～6 GHz的頻率范圍內(nèi)，三明治結(jié)構(gòu)的S 小于-30 dB，在6～2O GHz的頻率范圍內(nèi)，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。 |
