一种新型MEMS微波功率传感器的理论模型与优化设计

提出了一种新型的MEMS微波功率传感器.与传统的结构相比,新结构具有测量误差小、设计简单、使用方便等显著优点.然后在全面考虑了热传导、热对流、热辐射三种传热机制的基础上,对传感器的主要部分即热电堆建立了热模型,进而导出了灵敏度、时间常数、噪声的理论解析式.最后根据拉格朗日乘数法原理,以给定的时间常数和噪声大小为约束条件,求得灵敏度达最大时热偶长度和串联数目的最佳值.

一种新型MEMS微波功率传感器的设计与模拟

提出了一种新型的三明治结构MEMS微波功率传感器结构,与传统传感器相比,新结构由于采用了垂直传热方式而具有较小的热损耗。在输入相同功率的情况下,模拟了热电堆的温度分布,三明治结构热电堆的温度高于传统结构,因此具有更高的灵敏度。同时模拟了两种结构的阻抗匹配特性,其差异不大,在1-6GHz的频率范围内,三明治结构的回波损耗小于-30dB;在6-20GHz的频率范围内,其回波损耗小于-20dB,显示了良好的匹配特性。

MEMS微波功率传感器的悬臂梁弯曲模型研究

为了研究电容式MEMS微波功率传感器悬臂梁的非线性运动,建立了MEMS悬臂梁在空间域上的弯曲特性模型,综合考虑静电力、轴向应力以及残余应力对悬臂梁非线性运动的影响,求解得到动力学微分方程。在此基础上研究在不同杨氏模量、驱动电压和残余应力下悬臂梁的弯曲特性,解析得到对应的悬臂梁弯曲特性曲线与轴向应力曲线。使用有限元分析软件ANSYS对不同驱动电压下的悬臂梁下拉位移进行仿真,并对仿真结果与解析结果进行比较。结果表明,在驱动电压从10 V到20 V的变化过程中,仿真结果与模型解析结果具有一致的趋势,两者间的最大误差仅有8.81%。对电容式MEMS微波功率传感器的悬臂梁弯曲特性的研究具有一定的参考价值和指导意义。

一种高灵敏度在线式MEMS微波功率传感器

为了改善在线式MEMS微波功率传感器的灵敏度特性,设计了一种新型双悬臂梁结构的MEMS微波功率传感器。该结构将测试电极和锚区设计在中心信号线的两侧。建立了双悬臂梁集总电路等效模型,研究了双悬臂梁结构的微波功率传感器的微波特性。构建了枢纽式双悬臂梁静力学模型,研究并分析了新型悬臂梁结构的过载功率与灵敏度。结果表明,相比于测试电极和锚区位于信号线同侧的传统单悬臂梁结构,新型双悬臂梁结构的灵敏度提升了6~8倍。这在一定程度上解决了电容式微波功率传感器检测灵敏度较低的问题。

基于单片式微波集成电路的终端式MEMS微波功率传感器(英文)

提出了一种基于塞贝克效应的终端式MEMS微波功率传感器,该传感器的制作工艺与GaAs单片式微波集成电路(MMIC)工艺兼容。利用热电偶检测温度差,生成与微波功率成比例的直流电压,由GaAs/Au热电偶串联构成热堆。传感器将电功率转化为热,再间接测量热堆生成的直流电压。采用微机械加工技术,去除了器件底部的GaAs衬底,从而减小了热损耗和电磁损耗,提高了灵敏度。测试结果表明,在0～20GHz内,HFSS模拟的S11<-22dB;测试输入功率为-20～20dBm时,频率为0～20GHz;在20GHz时,灵敏度高于0.15mV/mW;在整个频率范围内,回波损耗低于-26dB。

MEMS微波功率传感器的研究与进展

介绍MEMS微波功率传感器的研究与发展,包括自加热式、间接加热式、插入式和电容式微波功率传感器。文中以共面波导(CPW)、负载电阻和热堆作为微波功率传感器的基本单元,对这些基本单元分别作了分析,并给出了这些基本单元和总体结构的性能指标,同时介绍了Si和GaAs衬底上制备微波功率传感器的主要工艺。

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。

电容式MEMS微波功率传感器过载功率的优化

提出了一种等效串联电容式MEMS微波功率传感器,在不影响传感器微波性能的前提下,实现了过载功率的提升。分别建立了传感器的力学模型和集总参数模型,对过载功率特性和微波特性进行了优化与分析。使用Ansys软件和Hfss软件对传感器相关参数进行了仿真,验证了文章所建立模型的准确性。结果表明,当MIM电容相对值β从1.25变化至0.8时,过载功率可提高3.43倍至6.57倍;经过优化,系统仍保持较好的微波匹配特性。该研究成果对于MEMS微波功率传感器过载功率的提高具有一定的参考价值。

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。

耦合式MEMS微波功率传感器集总参数模型的优化

耦合式MEMS微波功率传感器的集总参数模型可用于分析并计算器件的微波特性,是设计传感器相关结构尺寸的重要参考依据。针对目前传感器日益复杂化的阻抗匹配结构,对现有的集总参数模型进行了优化,并进行了相关理论推导。实验结果表明,优化后的模型计算出的反射系数最大误差为6.0 dB,插入损耗最大误差为0.7 dB,模型准确度相较于优化前有了明显的提升。因此,优化的集总参数模型对耦合式MEMS微波功率传感器的设计与优化具有一定的应用价值与参考意义。

热电式MEMS微波功率传感器的封装研究

为了研究热电式MEMS微波功率传感器封装后的性能,提出了一种COB技术的封装方案。首先,采用有限元仿真软件HFSS仿真封装前后的微波特性;然后,基于GaAs MMIC技术对热电式MEMS微波功率传感器进行制备,并对制备好的芯片进行封装。最后,对封装前后传感器的微波特性及输出特性进行测试。实验结果表明,在8~12 GHz频率范围内,封装后回波损耗小于-10.50 dB,封装前的灵敏度为0.16 mV/mW@10 GHz,封装后的灵敏度为0.18 mV/mW@10 GHz。封装后的热电式微波功率传感器输出电压与输入功率仍有良好的线性度。该项研究对热电式MEMS微波功率传感器封装的研究具有一定的参考价值和指导意义。

一种新型的在线式微波功率传感器

提出了一种基于MEMS技术的在线式微波功率传感器结构,并对该结构进行了理论分析、设计、制作和测量.该结构通过测量由MEMS膜耦合出的一小部分微波功率实现功率的测量.该结构制作工艺与GaAs MMIC工艺完全兼容.测量结果显示,在12GHz频率以内,微波功率传感器的反射系数小于-15dB,插入损耗小于2dB,在10GHz中心频率下的灵敏度为10.4μV/mW.

基于MEMS技术的对称式微波功率传感器的设计研究

近年来,随着微机械加工技术的飞速发展,被广泛应用在微波领域中。微波功率在微波信号的产生以及传输等各个环节的测量是必不可少的,而微波功率传感器是最常见的测量工具,由于传统的微波功率传感器容易造成误差。因此,提出了一种基于MEMS技术的对称式微波功率传感器,本文对此设计进行重点探讨。

一种开路短截线结构的耦合式微波功率传感器

提出了一种基于MEMS技术的在线式微波功率传感器结构,并对该结构进行了理论分析、设计、制作和测量。该微波功率传感器通过加入阻抗匹配和开路短截线结构实现低损耗和宽频带的在线测量。该结构制作工艺与GaAs MMIC工艺完全兼容。测量结果显示,在8GHz～12GHz频率范围内,微波功率传感器的反射系数小于-18dB,插入损耗优于0.45dB,在10GHz中心频率下的灵敏度为12.0μV/mW。

基于介质嵌层的热电式微波功率传感器特性研究

为改善热电式MEMS微波功率传感器的电-热-电转换效率,提出了一种新型介质嵌层结构。选用Si3N4、新型材料石墨烯分别作为介质嵌层。建立介质嵌层结构的热学模型,采用Ansys软件对热学特性进行了仿真。结果表明,当石墨烯作为介质嵌层时,热电偶热端的温度提高了12 K,有效改善了传热效率,提高了热电堆温差。建立介质嵌层结构的电磁模型,采用Hfss软件对微波性能进行了仿真。结果表明,在8~12 GHz范围内,S参数约为-18 dB,传感器仍具有良好的匹配特性。该介质嵌层结构对热电式MEMS微波功率传感器研究有参考价值。

微梁结构热偶微波功率传感器芯片的制作工艺

在微波技术研究中 ,微波功率是表征微波信号特性的一个重要参数。微波功率测量已成为电磁测量的重要部分 ,可应用于很多场合 ,如发射机输出功率 (包括天线系统辐射的功率 )和振荡器输出功率的测量、毫瓦计的校准、标准信号发生器的校准等。微波功率传感器是微波功率计探头中的核心元件。微梁结构热偶微波功率传感器芯片选择具有低电阻温度系数的Ta2 N和高热电功率塞贝克系数的Si作为热偶材料 ,利用半导体工艺和MEMS工艺制作 ,并最终研制成合格的芯片。芯片具有尺寸小、功耗低、灵敏度高、频带宽等特点。简要介绍了芯片的结构原理 ,并详细介绍了芯片的制作工艺。

电容式微波功率传感器

本产品利用共面波导上传输的微波功率对MEMS悬臂梁的吸引导致梁的位移，通过测量悬臂梁与传感电极之间电容变化的方式测得共面波导上传输的微波功率，属于微电子器件技术领域。

Ka波段在线自检测MEMS微波功分器的设计与优化

提出了一种基于MEMS技术,由MEMS微波功分器和在线式MEMS微波功率传感器组成的在线自检测MEMS微波功分器,实现了MEMS微波功分器在Ka波段的实时在线功率自检测。MEMS微波功分器为T型功率等分功分器,由共面波导、圆形的不对称共面带线和空气桥构成,三个端口处分别放置三个相同的在线式MEMS微波功率传感器用于端口处信号功率的实时监测。该结构基于GaAs MMIC工艺,它可以与GaAs微波电路实现单片集成。通过ADS和HFSS软件的协同仿真,在中心频率34 GHz处,回波损耗S11小于-30 dB,插入损耗S21(S31)约为-4.7 dB。在26 GHz^40 GHz的频率范围内,S11约小于-15 dB,隔离度S23小于-15 dB。