一种新型MEMS微波功率传感器的设计与模拟

摘 要：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1～6 GHz的频率范围内，三明治结构的回波损耗小于-30 dB；在6～20 GHz的频率范围内，其回波损耗小于-20 dB，显示了良好的匹配特性。

关键词：MEMS；微波功率传感器；三明治结构；热传导；回波损耗

微波信号的功率是微波电路、微波系统中最重要的参数之一，微波功率传感器可以用于测量微波信号的功率，而基于热电转换的微波功率传感器是各种同类型传感器中最为准确的一种_1]。随着经济的发展、科技的进步，这种传感器已被广泛应用于测量微波发射机／接收机的输出／输人功率、振荡器的输出功率、信号源的输出电平等，具有快速响应、高灵敏度、宽频带和高烧毁水平等优点，在国防、通讯、科研等领域有着广泛的用途。

到目前为止，已经有很多文献[2—5]报导了各种不同结构形式的基于热电堆类型的微波功率传感器，其结构如图1所示，它以共面波导(CPW)为传输线接收待测微波功率，在共面波导的终端放置两个100 Q的匹配电阻把吸收到的微波功率转化为热量，此热量使得放置在电阻附近的热电堆温度升高，根据Seebeck效应，在热电堆两端有直流电压输出，通过测量这一电压便可得到输人微波信号的功率。传统微波功率传感器一直存在着灵敏度不高的问题，原因在于终端负载电阻在传热过程中会有大量的热损失，为了减小各种热损失带来的测量误差，一些文献采用了各种复杂的工艺形成了诸如悬臂梁式[63、岛式[7]、衬底掏空式[8]传感器结构，以提高传感器热阻的方式来降低上述各种热损失，这些措施在一定程度上提高了功率测量的准确度，但也增加了工艺的难度，为了解决上述困难，本文提出了一种新型的三明治结构MEMS微波功率传感器，可以在较大程度上提高传感器的测量精度，减少工艺的复杂程度。

终端负载电阻 热电堆

图1 传统的微波功率传感器结构

1 新型微波功率传感器结构及工作原理

传统微波功率传感器存在着各种热损失，包括热传导、热对流和热辐射损失。其中热传导损失最为严重，原因在于终端负载电阻在传热过程中要经过砷化镓衬底以水平方向传热的形式进行热传递，中途会导致大量的热损失，因而灵敏度受此影响而无法提高，为了解决上述困难，本文提出了一种新型的微波功率传感器结构，其剖面图如图2所示。

图2 传统结构和三明治结构传感器剖面图

从图2中可以看出，与传统的结构相比，新型结构使用了四个并联的200 Q终端负载电阻呈上下分

布的垂直结构，来代替传统结构中使用两个i00 Q负载电阻的水平结构，将热电堆夹在电阻中间，这里称为三明治结构。相对于传统的微波功率传感器结构，三明治型结构由于采用了垂直传热的形式，因而大大减少了热量的损失，灵敏度有了大幅提升。