MEMS在線式微波功率傳感器的設(shè)計、制備與表征.pdf

1、隨著通信技術(shù)的發(fā)展，微波功率計被廣泛用于測量微波發(fā)射機(jī)/接收機(jī)的輸出/輸入功率、信號源的輸出電平以及接收機(jī)本地振蕩器的電平、天線系統(tǒng)輻射的功率、振蕩器的輸出功率、交流信號電壓的均方根值以及標(biāo)準(zhǔn)交直流、毫瓦計、標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器的校準(zhǔn)等，在國防、通訊、科研等領(lǐng)域有著廣泛的用途。目前，測量微波功率的技術(shù)是基于熱敏電阻、熱電偶和二極管的方法，這些方法是將待測的微波功率完全消耗加以測量，因此使得微波信號經(jīng)過測量之后無法再利用。最近，國外提出了兩種基

2、于MEMS技術(shù)的微波功率傳感器結(jié)構(gòu)，它們的微波信號在測量過后仍可利用。第一種結(jié)構(gòu)是利用熱電堆測量共面波導(dǎo)上損耗的微波功率，第二種結(jié)構(gòu)是利用電容變化測量微波功率。但兩種結(jié)構(gòu)均存在著微波性能與靈敏度之間的矛盾。本文針對高靈敏度、寬頻率范圍、低的插入損耗和反射系數(shù)、高線性度并可以轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)的在線式微波功率傳感器進(jìn)行了研究。 (1)提出了一種可以實現(xiàn)功率監(jiān)測、增益控制和電路保護(hù)的新型在線式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)，它將微波性能與靈敏度性能分

3、開設(shè)計，因此解決了兩者之間的矛盾．該新型的在線式微波功率傳感器通過電容耦合出一小部分微波功率，再將這部分微波功率吸收并轉(zhuǎn)化為熱量，利用熱電堆探測溫度變化實現(xiàn)微波功率的測量。 (2)為了改善功率傳感器的微波性能、減小功率傳感器耦合度隨頻率的變化并實現(xiàn)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，提出了阻抗匹配結(jié)構(gòu)、補(bǔ)償電容結(jié)構(gòu)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)結(jié)構(gòu)． (3)建立了在線式微波功率傳感器的微波模型、熱學(xué)模型和靜力學(xué)模型。微波模型分析了加入上述改進(jìn)結(jié)構(gòu)對微波性能

4、的改善；熱學(xué)模型通過分析各種結(jié)構(gòu)參數(shù)對溫度分布的影響，得出了溫度分布隨這些結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的規(guī)律；靜力學(xué)模型分析了靜電力與耦合電容之間的關(guān)系、MEMS膜的自執(zhí)行效應(yīng)以及閾值電壓與膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系．利用有限元分析軟件HFSS和Ansys模擬了上述各種結(jié)構(gòu)，驗證了三種模型的正確性，并對改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。 (4)開發(fā)了GaAsMMIC工藝的傳感器制備流程，研究了犧牲層的釋放、熱電堆的制備等工藝，提出了一套基于GaAsMMIC工藝的

5、在線式微波功率傳感器工藝流程并設(shè)計了各種功率傳感器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)。 (5)基于GaAsMMIC兼容工藝研制出在線式微波功率傳感器，通過對所制作的在線式微波功率傳感器的微波性能和靈敏度的測量，在8～12GHz頻域內(nèi)，功率傳感器的插入損耗小于0.45dB，反射系數(shù)小于-20dB。在10GHz中心頻率處的靈敏度大于30μV/mW，分辨率達(dá)到0.2mW。 本文提出了具有多種改進(jìn)結(jié)構(gòu)的在線式微波功率傳感器，建立并分析了功率傳感器的各種