雙端加熱式MEMS微波功率傳感器的研究.pdf

1、本文在對國內(nèi)外已有的各種微波/射頻功率傳感器文獻(xiàn)深入研究和總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出并較為全面地研究了一種新型的間接加熱式微波功率傳感器——雙端加熱式MEMS微波功率傳感器。本文提出的雙端加熱式微波功率傳感器是基于直流/低頻替代法原理設(shè)計(jì)的，就是將輸入待測的微波/射頻信號通過CPW匹配負(fù)載電阻全部轉(zhuǎn)化為熱量而使放置在CPW負(fù)載電阻附近的熱電堆的一端溫度升高的同時，使對稱放置在熱電堆另一端的直流電阻也吸收直流/低頻信號的能量而使該端熱電堆的溫度同

2、步的升高，通過調(diào)節(jié)直流/低頻電路部分的元件參數(shù)值(如直流電源輸出功率的大小)，使熱電堆的輸出端熱電勢等于零，則待測微波/射頻信號的功率就等于直流/低頻電阻上消耗的功率，從而實(shí)現(xiàn)微波/射頻信號功率的測量，即利用非常容易測量的直流/低頻信號功率代替難以直接測量的微波/射頻信號功率。與原來已有的各種MEMS微波功率傳感器相比，由于本文提出的新型功率傳感器利用了差分對稱的思想，它徹底地消除了由于各種熱損失所帶來的功率測量誤差，極大地提高了高頻信

3、號功率測量的精度。同時，也正是由于它的對稱性，使得本文提出的功率傳感器還具有：傳感器性能參數(shù)與自身的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)不敏感、熱性能與微波性能相互影響減小、加工工藝簡單、封裝簡單、直接得到功率的絕對值而無需轉(zhuǎn)換、多模式工作可選等等一系列的顯著優(yōu)點(diǎn)，使得本文設(shè)計(jì)的傳感器具有設(shè)計(jì)簡單靈活、可靠性高、批量制造的一致性好、使用方便、成本低的突出優(yōu)點(diǎn)。 本文從電(微波)性能和熱性能以及電熱耦合性能等幾個人的方面對傳感器各個主要構(gòu)成部分進(jìn)行較為詳

4、細(xì)的分析并盡可能地建立近似的數(shù)學(xué)模型。在講解了傳感器的各個部分工作原理以后，使用Microwave Office軟件對不同尺寸的CPW的微波特性、傳感器的S參數(shù)進(jìn)行了分析模擬，為了深入找出反射隨頻率升高而增大的原因以及熱電堆的存在對阻抗匹配造成的影響，又分別對CPW負(fù)載電阻的高頻寄生參數(shù)和CPW負(fù)載電阻與熱電堆之間的高頻電磁耦合進(jìn)行了研究介紹，以上是傳感器的微波特性部分研究內(nèi)容。由于熱量的傳遞在整個傳感器工作中占據(jù)重要的地位，所以傳感器

5、的熱特性研究是整個理論分析的重點(diǎn)，也是論文的主體部分。本論文根據(jù)傳熱學(xué)的基本原理，對CPW的負(fù)載電阻建立了能量守恒方程，得出了CPW的負(fù)載電阻在吸收微波能量以后溫度隨時間指數(shù)上升的重要規(guī)律以及穩(wěn)態(tài)情況下溫度與輸入的待測信號功率的關(guān)系、該過程的時間常數(shù)等重要信息。為了驗(yàn)證該結(jié)論，論文又使用了Ansys有限元軟件對CPW的負(fù)載電阻的溫度場進(jìn)行了模擬，得到與從純傳熱學(xué)的模型基本一致的穩(wěn)態(tài)溫度。之后，又利用傳熱學(xué)對熱電偶列方程，得出靈敏度、熱時

6、間常數(shù)和熱噪聲的近似表達(dá)式，并對這些指標(biāo)有重要影響的熱學(xué)參數(shù)和幾何參數(shù)進(jìn)了詳盡的分析，同時還使用Matlab軟件根據(jù)表達(dá)式繪出了一組物理意義明顯的曲線，從而對各個參數(shù)對傳感器的作用有了較為全面深入的理解。最后，利用Lagrange乘數(shù)法按照求條件極值的過程，對傳感器進(jìn)行了優(yōu)化，可以求得滿足一定的熱時間常數(shù)和噪聲大小的條件下靈敏度取最大值的熱電偶數(shù)目和長度的最佳值。本傳感器是電——熱多物理場作用過程，論文還試圖在電——熱混合研究方面進(jìn)行了