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型傳感器中最為準確的一種_1]。隨著經濟的發展、科技的進步，這種傳感器已被廣泛應用于測量微波發射機／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點，在國防、通訊、科研等領域有著廣泛的用途。

到目前為止，已經有很多文獻[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)為傳輸線接收待測微波功率，在共面波導的終端放置兩個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靈敏度不高的問題，原因在于終端負載電阻在傳熱過程中會有大量的熱損失，為了減小各種熱損失帶來的測量誤差，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程中要經過砷化鎵襯底以水平方向傳熱的形式進行熱傳遞，中途會導致大量的熱損失，因而靈敏度受此影響而無法提高，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并聯的200 Q終端負載電阻呈上下分

布的垂直結構，來代替傳統結構中使用兩個i00 Q負載電阻的水平結構，將熱電堆夾在電阻中間，這里稱為三明治結構。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。