MEMS微波功率傳感器的系統(tǒng)級(jí)模型.pdf

1、本文對(duì)終端式MEMS微波功率傳感器的微波特性和傳熱特性進(jìn)行了具體的分析和研究。在理想情況下，微波功率傳感器輸入的功率被終端電阻全部吸收轉(zhuǎn)化為熱能，使得熱電堆兩端產(chǎn)生溫度差，根據(jù)塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生熱電勢(shì)輸出，通過(guò)測(cè)量熱電勢(shì)間接地測(cè)量出輸入功率。然而由于CPW導(dǎo)體和介質(zhì)襯底的非理想性，肯定存在損耗（包括導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗）；CPW終端電阻與CPW的特性阻抗匹配不理想而造成反射。這就使得輸入的微波功率沒(méi)有被終端電阻完全吸收。分析終端式MEMS微波

2、功率傳感器的傳熱行為，可以發(fā)現(xiàn)終端電阻所產(chǎn)生的熱并沒(méi)有完全用于產(chǎn)生熱電堆兩端的溫度差，在熱傳遞過(guò)程中存在熱損失。為了減小測(cè)量誤差，針對(duì)上述的微波損耗和熱損失，文章建立了微波損耗模型和傳熱模型，并給出了模擬結(jié)果，為傳感器的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了依據(jù)。 文章在緒論中介紹了微電子機(jī)械系統(tǒng)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，并對(duì)目前已有的微波功率測(cè)量方法進(jìn)行了總結(jié)和分類，指出了目前微波損耗模型和傳熱模型存在的問(wèn)題并給出了解決的方法。然后簡(jiǎn)單介紹了微波傳輸特性和熱

3、傳遞等基本原理，為后面的微波損耗模型以及傳熱模型的建立奠定了理論基礎(chǔ)。 在建立微波損耗模型時(shí)，文章將終端式MEMS微波功率傳感器的CPW部分當(dāng)作二端口網(wǎng)絡(luò)，推導(dǎo)出了微波功率傳感器的功率傳輸效率。由于傳輸效率含有衰減常數(shù)這個(gè)未知量，所以最后歸結(jié)到對(duì)衰減常數(shù)的計(jì)算。根據(jù)文章中具體的微波功率傳感器的結(jié)構(gòu)以及各種衰減常數(shù)計(jì)算方法的適用范圍，選擇了一種比較合適的計(jì)算方法。文章先將特性阻抗固定為50Ω，求出對(duì)應(yīng)的CPW的橫向尺寸，再利用這些

4、尺寸計(jì)算出衰減常數(shù)，從而得到了衰減常數(shù)隨橫向尺寸變化的趨勢(shì)。比較HFSS模擬和理論計(jì)算的結(jié)果，驗(yàn)證了理論計(jì)算的可靠性，進(jìn)而可以得出以下結(jié)論：改變橫向尺寸，可以減小衰減常數(shù)，提高功率傳輸效率，長(zhǎng)度為500μm的傳輸線的功率傳輸效率可提高約2％。此外文章還分析了橫向尺寸一定時(shí)，衰減常數(shù)隨特性阻抗變化的趨勢(shì)，與衰減常數(shù)最小值對(duì)應(yīng)的特性阻抗大約為50Ω。 建立微波功率傳感器的傳熱模型的主要目的是得出傳感器的溫度分布以及熱時(shí)間常數(shù)即響應(yīng)速

5、度。本文利用熱傳遞與導(dǎo)電之間的相似概念，建立了與傳熱過(guò)程等效的電路模型。文中采用了與分布式類似的原理把微波功率傳感器的二維版圖細(xì)分為一個(gè)個(gè)小的單元，每個(gè)單元都用電阻和電容分別等效熱阻和熱容，模擬其傳熱過(guò)程。終端負(fù)載部分的等效電路除了熱阻和熱容外，還加入電流源用來(lái)模擬輸入功率。建立了等效電路后，利用SPICE模擬器對(duì)電路進(jìn)行模擬，可以得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓。利用電壓與溫度的等效關(guān)系，就可以得到傳感器的溫度分布，從而計(jì)算出靈敏度，大約為0．32

6、mV/mW。此外由于加入了熱容，通過(guò)模擬電路的響應(yīng)時(shí)間可以得出傳感器的熱時(shí)間常數(shù)，結(jié)果為100ms。該模型對(duì)估算傳感器的靈敏度以及響應(yīng)時(shí)間有一定的幫助，并且為傳感器的尺寸優(yōu)化提供了一定的依據(jù)。文章還對(duì)已流片的傳感器進(jìn)行了測(cè)試，在0到20GHz的整個(gè)測(cè)試頻率范圍內(nèi)，回波損耗小于-26dB，其靈敏度在10GHz時(shí)是0．37mV/mW，20 GHz時(shí)是0．27mV/mW，其響應(yīng)時(shí)間為180 ms。 此外，本文還根據(jù)微波損耗模型和電熱等