MEMS在线式微波功率传感器的设计、制备与表征

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1、摘要摘要随着通信技术的发展，微波功率计被广泛用于测量微波发射机胺收机的输出／输入功率、信号源的输出电平以及接收机本地振荡器的电平、天线系统辐射的功率、振荡器的输出功率、交流信号电压的均方根值以及标准交直流、毫瓦计、标准信号发生器的校准等，在国防、通讯、科研等领域有着广泛的用途。目前测量微波功率的技术是基于热敏电阻、热电偶和二极管的方法，这些方法是将待测的微波功率完全消耗加以测量，因此使得微波信号经过测量之后无法再利用。最近，国外提出了两种基于MEMS技术的微波功率传感器结构，它们的微波信号在测量过后仍可利用。第一种结构是利用热电堆测量共面波导上损耗的微波功

2、率，第二种结构是利用电容变化测量微波功率。但两种结构均存在着微波性能与灵敏度之间的矛盾。本文针对高灵敏度、宽频率范围、低的插入损耗和反射系数、高线性度并可以转换工作状态的在线式微波功率传感器进行了研究，主要内容包括：(1)提出了一种可以实现功率监测、增益控制和电路保护的新型在线式微波功率传感器结构，它将微波性能与灵敏度性能分开设计，因此解决了两者之间的矛盾．该新型的在线式微波功率传感器通过电容耦合出一小部分微波功率，再将这部分微波功率吸收并转化为热量，利用热电堆探测温度变化实现微波功率的测量。(2)为了改善功率传感器的微波性能、减小功率传感器耦合度随频率的

3、变化并实现工作状态的转换，提出了阻抗匹配结构、补偿电容结构和状态转换开关结构．(3)建立了在线式微波功率传感器的微波模型、热学模型和静力学模型。微波模型分析了加入上述改进结构对微波性能的改善；热学模型通过分析各种结构参数对温度分布的影响，得出了温度分布随这些结构参数变化的规律；静力学模型分析了静电力与耦合电容之间的关系、MEMS膜的自执行效应以及阈值电压与膜的结构参数之间的关系．利用有限元分析软件HFSS和Amys模拟了上述各种结构，验证了三种模型的正确性，并对改进结构进行了优化。(4)开发了GaAsMMIC工艺的传感器制备流程，研究了牺牲层的释放、热电堆

4、的制备等工艺，提出了一套基于GaAsMMIC工艺的在线式微波功率传感器工艺流程并设计了各种功率传感器的改进结构．(5)基于GaAsMMIC兼容工艺研制出在线式微波功率传感器，通过对所制作的在线式微波功率传感器的微波性能和灵敏度的测量，在8～12GHz频域内，功率传感器的插入损耗小于O．45dB，反射系数小于-20dB．在10GHz中心频率处的灵敏度大于30／zV／m矿，分辨率达到0．2mW。本文提出了具有多种改进结构的在线式微波功率传感器，建立并分析了功率传感器的各种模型，开发了功率传感器的工艺制各流程．本文的工作不仅促进了MEMS在线式微波功率传感器的发

5、展，而且对研究GaAsMEMS微加工工艺提供了有益的经验．该传感器预期在许多个人通信或雷达系统中会得到应用．关键词：MEMS微波功率传感器微波功率耦合器热电堆GaAsMMIC工艺AbstractWiththedevelopmentofcommunications，apowermeterhasbeen丽delyusedinthefieldsofnationaldefense,communication。scientificresearchandso0n．neexistingtechnologyformeasuringmicrowavepowerisbased

6、onthermistors，thcrmocouplesanddiodes．Thesearetheterminatingdevices，andthesignalc蛆’tbeusedafterpowerdetection．Recently,twosensingprinciples‘ofinlinetypemicrowavepowersensorsbasedonMEMStechnologyhavebeenproposed,inwhichthemicrowavesingalisavailableafterthemeasurement．Thefirstprincip

7、leutilizesthethermopilestodetecttheohmiclossesoftheCPWline．Thesecondprincipleutilizesthecapacitancechangetodetectmicrowavepower．However,thetwoaboveprincipleshavetomakebalancebetweenthemicrowavepropertiesandthesensitivity．Inordertodesigntheinlinetypemicrowavepower$cD圆orwithhighsens

8、itivity,诵defi'equenoyrange,lowins