MEMS微波功率传感器的系统级建模

提出了一种基于力-电和热-电原理的MEMS微波功率传感器,并依次对基于力-电转换原理的电容式MEMS微波功率传感器和基于热-电转换原理的热电式MEMS微波功率传感器进行建模。其一是通过采用挠度方程对力-电转换原理部分的固支梁建立力-电模型;二是通过采用热传导方程对热-电转换原理部分的温度分布建立二维热-电模型。最后将微波功率等效为均方根电压,以固支梁形变量为线索串联起力-电和热-电转换原理部分,研究微波功率、力-电转换原理部分的固支梁形变以及热-电转换原理部分的热电势之间关系,进而得到包含多物理场的系统级模型。对于电容式传感器,解析模型仿真结果与HFSS仿真结果具有较好的一致性,验证了其模型的有效性;而对于热电式传感器,衬底膜的厚度越薄,热电堆的冷热两端温差越高,进而输出热电势越大。结果表明,该MEMS微波功率传感器在30 GHz~35 GHz时插入损耗S_(11)在-0.1 dB~-0.3 dB范围内,反射损耗S_(11)小于-18 dB;当输入微波功率分别为160 mW和320 mW时,热电势在32 GHz时分别为42.41 mV和84.85 mV,在40 GHz时分别为40.03 mV和79.11 mV。

掺杂n^(+) GaAs的热电式MEMS微波功率传感器在Ka波段的研究

本文主要通过理论设计和性能测试,研究了热电堆的半导体臂n^(+)GaAs的掺杂浓度对热电式MEMS微波功率传感器在Ka波段工作性能的影响。该类传感器基于微波功率-热-电转换原理工作,其中热电堆是由半导体臂n^(+)GaAs和金属臂Au构成。通过建立理论分析模型,探究了灵敏度、信噪比与掺杂浓度之间的关系,以指导传感器的结构设计,并基于GaAs MMIC工艺制备了四种n^(+)GaAs掺杂浓度下MEMS微波功率传感器。实验结果表明:当n^(+)GaAs掺杂浓度分别为2.4×10^(18) cm^(-3)、8.5×10^(17) cm^(-3)、3.2×10^(17) cm^(-3)和1.9×10^(17) cm^(-3)时,测量的灵敏度在30 GHz分别为15.21μV/mW、17.86μV/mW、74.36μV/mW和142.34μV/mW,而其在38 GHz分别为10.91μV/mW、17.88μV/mW、48.94μV/mW和98.59μV/mW,该结果表明灵敏度随掺杂浓度增大而减小;信噪比在30 GHz分别为8.58×10^(5) W^(-1)、6.13×10^(5) W^(-1)、1.38×10^(6) W^(-1)和2.08×10^(6) W^(-1),而其在38 GHz分别为6.44×10^(5) W^(-1)、6.13×10^(5) W^(-1)、1.11×10^(6) W^(-1)和1.47×10^(6) W^(-1),该结果表明信噪比随掺杂浓度的增大先减小再增大。