一種新型MEMS微波功率傳感器的設計與模擬

摘 要：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(shí)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。

關(guān)鍵詞：MEMS；微波功率傳感器；三明治結構；熱傳導；回波損耗

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(lèi)型傳感器中最為準確的一種_1]。隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展、科技的進(jìn)步，這種傳感器已被廣泛應用于測量微波發(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、高靈敏度、寬頻帶和高燒毀水平等優(yōu)點(diǎn)，在國防、通訊、科研等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的用途。

到目前為止，已經(jīng)有很多文獻[2—5]報導了各種不同結構形式的基于熱電堆類(lèi)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(xiàn)接收待測微波功率，在共面波導的終端放置兩個(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(guò)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(zhù)靈敏度不高的問(wèn)題，原因在于終端負載電阻在傳熱過(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[63、島式[7]、襯底掏空式[8]傳感器結構，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(zhù)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(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(gè)并聯(lián)的200 Q終端負載電阻呈上下分

布的垂直結構，來(lái)代替傳統結構中使用兩個(gè)i00 Q負載電阻的水平結構，將熱電堆夾在電阻中間，這里稱(chēng)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。