MEMS微波功率传感器的系统级模型

《MEMS微波功率传感器的系统级模型》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、摘要摘要本文对终端式MEMS微波功率传感器的微波特性和传热特性进行了具体的分析和研究。在理想情况下，微波功率传感器输入的功率被终端电阻全部吸收转化为热能，使得热电堆两端产生温度差，根据塞贝克效应产生热电势输出，通过测量热电势间接地测量出输入功率。然而由于CPW导体和介质衬底的非理想性，肯定存在损耗(包括导体损耗和介质损耗)；CPW终端电阻与CPW的特性阻抗匹配不理想而造成反射。这就使得输入的微波功率没有被终端电阻完全吸收。分析终端式MEMS微波功率传感器的传热行为，可以发现终端电阻所产生的热并没有完全用于产生热电堆两端的温度

2、差，在热传递过程中存在热损失。为了减小测量误差，针对上述的微波损耗和热损失，文章建立了微波损耗模型和传热模型，并给出了模拟结果，为传感器的设计改进提供了依据。文章在绪论中介绍了微电子机械系统的发展历史和现状，并对目前已有的微波功率测量方法进行了总结和分类，指出了目前微波损耗模型和传热模型存在的问题并给出了解决的方法。然后简单介绍了微波传输特性和热传递等基本原理，为后面的微波损耗模型以及传热模型的建立奠定了理论基础。在建立微波损耗模型时，文章将终端式MEMS微波功率传感器的CPW部分当作二端口网络，推导出了微波功率传感器的功率

3、传输效率。由于传输效率含有衰减常数这个未知量，所以最后归结到对衰减常数的计算。根据文章中具体的微波功率传感器的结构以及各种衰减常数计算方法的适用范围，选择了一种比较合适的计算方法。文章先将特性阻抗固定为50Q，求出对应的CPW的横向尺寸，再利用这些尺寸计算出衰减常数，从而得到了衰减常数随横向尺寸变化的趋势。比较HFSS模拟和理论计算的结果，验证了理论计算的可靠性，进而可以得出以下结论：改变横向尺寸，可以减小衰减常数，提高功率传输效率，长度为500pm的传输线的功率传输效率可提高约2％。此外文章还分析了横向尺寸一定时，衰减常数

4、随特性阻抗变化的趋势，与衰减常数最小值对应的特性阻抗大约为50Q。建立微波功率传感器的传热模型的主要目的是得出传感器的温度分布以及热时间常数即响应速度。本文利用热传递与导电之间的相似概念，建立了与传热过程等效的电路模型。文中采用了与分布式类似的原理把微波功率传感器的二维版图细分为一个个小的单元，每个单元都用电阻和电容分别等效热阻和热容，模拟其传热过程。终端负载部分的等效电路除了热阻和热容外，还加入电流源用来模拟输入功率。建立了等效电路后，利用SPICE模拟器对电路进行模拟，可以得到各个节点的电压。利用电压与温度的等效关系，就

5、可以得到传感器的温度分布，从而计算出灵敏度，大约为0．32mV／mW。此外由于加入了热容，通过模拟电路的响应时间可以得出传感器的热时间常数，结果为lOOms。该模型对估算传感器的灵敏度以及响应时间有一定的帮助，并且为传感器的尺寸优化提供了一定的依据。文章还对已流片的传感器进行了测试，在0到20GHz的整个测试频率范围内，回波损耗小于．26dB，其灵敏度在10GHz时是0．37mV／mW，20GHz时是0．27mV／mW，其响应时间为180ms。此外，本文还根据微波损耗模型和电热等效模型建立了传感器的系统级模型，并根据此模型对

6、传感器的尺寸进行了优化，设计了尺寸改进后的版图，以使其性能指标达到设计要求。最后，本文对终端式MEMS微波功率传感器的微波损耗模型和传热模型进行了总结，指出了模型的不足之处以及改进的方法和建议。关键词：MEMS，微波功率传感器，CPW，衰减常数，电热模型AbstractInthispaper,themicrowavepropertiesandheattransfercharacteristicsofaterminatingtypeMEMS(micro-electro—mechanicalsystem)microwavepow

7、ersensorareanalyzedandresearched．Underidealconditions，themicrowavepowerappliedintothepowersensorisallabsorbedbytheterminalsandconvenedintothethermalenergy，andthereisatemperaturedifferencearisingbetweenthehotandcoldjunctionsofthethermopile，andaDCvoltageisgeneratedba

8、sedontheSeebeckeffect．TheinputpowerismeasuredbytheindirectmeasurementoftheDCvoltage．Butinfact,becauseofthenon-idealCPWconductoranddielectricsubst