双端加热式mems微波功率传感器的研究

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1、摘要本文在对国内外已有的各种微波，射频功率传感器文献深入研究和总结的基础上，提出并较为全面地研究了一种新型的间接加热式微波功率传感器——双端加热式MEMS微波功率传感器。本文提出的双端加热式微波功率传感器是基于直流／低频替代法原理设计的，就是将输入待测的微波／射频信号通过CPW匹配负载电阻全部转化为热量而使放置在CPW负载电阻附近的热电堆的一端温度升高的同时，使对称放置在热电堆另一端的直流电阻也吸收直流／低频信号的能量而使该端热电堆的温度同步的升高，通过调节直流，低频电路部分的元件参数值(如直流电源输出功率的大小)，使热电堆的输出

2、端热电势等于零，则待测微波，射频信号的功率就等于直澍低频电阻上消耗的功率，从而实现微波／射频信号功率的测量，即利用非常容易测量的直浙∥低频信号功率代替难以直接测量的微波／射频信号功率。与原来已有的各种MEMS微波功率传感器相比，由于本文提出的新型功率传感器利用了差分对称的思想，它彻底地消除了由于各种热损失所带来的功率测量误差，极大地提高了高频信号功率测量的精度。同时，也正是由于’占的对称性，使得本文提出的功率传感器还具有：传感器性能参数与自身的各种结构参数不敏感、热性能与微波性能相互影响减小、加工工艺简单、封装简单、直接得剑功率的

3、绝对值而无需转换、多模式工作可选等等一系列的显著优点，使得本文设计的传感器具有设计简单灵活、可靠性高、批量制造的一致性好、使用方便、成本低的突出优点。本文从电(微波)性能和热性能以及电热耦合性能等几个大的方面对传感器各个主要构成部分进行较为详细的分析并尽可能地建立近似的数学模型。在讲解了传感器的各个部分工作原理以后，使用MicrowaveOffice软件对不同尺寸的CPW的微波特性，传感器的S参数进行了分析模拟，为了深入找出反射随频率升高而增大的原因以及热电堆的存在对阻抗匹配造成的影响，又分别对CPW负载电阻的高频寄生参数和CPW

4、负载电阻与热电堆之间的高频电磁耦合进行了研究介绍，以上是传感器的微波特性部分研究内容。由于热量的传递在整个传感器工作中占据重要的地位，所以传感器的热特性研究是整个理论分析的重点，也是论文的主体部分。本论文根据传热学的基本原理，对CPW的负载电阻建立了能量守恒方程，得出了CPW的负载电阻在吸收微波能量以后温度随时间指数上升的重要规律以及稳态情况下温度与输入的待测信号功率的关系、该过程的时间常数等重要信息。为了验证该结论，论文又使用了Ansys有限元软件对CPW的负载电阻的温度场进行了模拟，得到与从纯传热学的模型基本一致的稳态温度。之

5、后，又利用传热学对热电偶列方程，得出灵敏度、热时间常数和热噪声的近似表达式，并对这些指标有重要影响的热学参数和几何参数进了详尽的分析，同时还使用Matlab软件根据表达式绘出了一组物理意义明显的曲线，从而对各个参数对传感器的作用有了较为全面深入的理解。最后，利用Lagrange乘数法按照求条件极值的过程，对传感器进行了优化，可以求得满足一定的热时间常数和噪声大小的条件下灵敏度取最大值的热电偶数目和长度的最佳值。本传感器是电——热多物理场作用过程，论文还试图在电——熟混合研究方面进行了大量的尝试，利用混合信号仿真软件Saber对传感

6、器主要的电——热耦合过程进行了模拟，得出了CPW负载电阻温度变化曲线以及最后的温度大小等结论也与前面传热学的结论是吻合的。本论文在已有的研究成果上，根据电子科技集团55研究所的实际工艺条件，使用L—Edit软件画出了传感器的版图，以便进行初期的流片及测试。本论文在最后对新型双端加热式微波功率传感器论文进行了总结，包括全文的一些创新之处和有待深入研究改进的各个方面。关键词：MEMS微波功率传感器双端加热式热电堆CPW传热学模型AbstraetAnovelindirectly-heatedmicrowavepowersensor---

7、double-endheatingtypeMEMSmicrowavepowersensorisfirstlyproposedandanalyzedcomprehensivelybasedonresearchandsummarizationoflargeamountofliteraturerelatedonmicrowave／RFpowersensoravailablehome＆overseas．111eoperationmechanismofthisnewdouble-endheatingtypemicrowavepowersen

8、sorisbasedonDC／lowfrequencysubstitutionprinciple，thatistosay,whenthetemperatureofoneendofthethermopilelocatedneartheCPWloadr