提出了一种新式的三明治结构MEMS微波功率传感器结构，与传统传感器比较，新结构由于选用了笔直传热办法而具有较小的热损耗。在输入相同功率的情况下，模仿了热电堆的温度散布，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。一起模仿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，显现了杰出的匹配特性。
微波信号的功率是微波电路、微波体系中最重要的参数之一，微波功率传感器能够用于丈量微波信号的功率，而依据热电转化的微波功率传感器是各种同类型传感器中最为精确的一种_1］。跟着经济的开展、科技的前进，这种传感器已被广泛应用于丈量微波发射机／接纳机的输出／输人功率、振荡器的输出功率、信号源的输出电持平，具有快速呼应、高灵敏度、宽频带和高焚毁水持平长处，在国防、通讯、科研等范畴有着广泛的用处。
到目前为止，已经有许多文献［2—5］报道了各种不同结构办法的依据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）为传输线接纳待测微波功率，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邻近的热电堆温度升高，依据Seebeck效应，在热电堆两头有直流电压输出，经过丈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向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很多的热丢失，为了减小各种热丢失带来的丈量误差，一些文献选用了各种杂乱的工艺构成了比如悬臂梁式［63、岛式［7］、衬底掏空式［8］传感器结构，以进步传感器热阻的办法来下降上述各种热丢失，这些办法在必定程度上进步了功率丈量的精确度，但也添加了工艺的难度，为了处理上述困难，本文提出了一种新式的三明治结构MEMS微波功率传感器，能够在较大程度上进步传感器的丈量精度，削减工艺的杂乱程度。
终端负载电阻 热电堆
图1 传统的微波功率传感器结构
1 新式微波功率传感器结构及作业原理
传统微波功率传感器存在着各种热丢失，包含热传导、热对流和热辐射丢失。其间热传导丢失最为严峻，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办法进行热传递，半途会导致很多的热丢失，因此灵敏度受此影响而无法进步，为了处理上述困难，本文提出了一种新式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中能够看出，与传统的结构比较，新式结构运用了四个并联的200 Q终端负载电阻呈上下分
布的笔直结构，来替代传统结构中运用两个i00 Q负载电阻的水平结构，将热电堆夹在电阻中心，这儿称为三明治结构。相关于传统的微波功率传感器结构，三明治型结构由于选用了笔直传热的办法，因此大大削减了热量的丢失，灵敏度有了大幅进步。
2 软件模仿
2．1 温度场模仿
运用有限元软件ANSYS模仿了三明治结构的终端负载电阻及热电堆温度散布，环境温度定为300 K，三明治结构传感器中的GaAs衬底高度为10 tLm，共面波导中心导带宽度为i00 tLm，高度为2tLm，长度为500 m，狭缝宽度为58 m，热电堆长度为200 p．m，模仿得到的温度散布如图3所示。还模仿了具有相同结构尺度的传统型传感器的温度散布，并比较了三明治型和传统型传感器的热电堆热
端温度散布，如图4所示。
图3 传感器温度散布图
图4 热电堆温度散布图
从图4能够看出，在输入相同功率的情况下（20mw），三明治结构的热电堆热端（接近终端负载电
阻的一端）具有更高的温度散布，最高点温度到达331 K，高于传统结构最高点10 K左右，因此在两种结构冷端（与热端相对的一端）温度根本持平的情况下，由热电堆灵敏度表达式：
可知，三明治结构的热端和冷端具有更高的温度差，因此，在输入功率P】 、热电偶对数N 和Seebeck系数 都不变的情况下，这种新式微波功率传感用具有比传统型传感器高得多的灵敏度。
2．2 S参数模仿
本文中的传感器是运用共面波导作为待测微波信号的传输线将其引进到丈量体系中，其特性阻抗为50 Q。为了将微波信号转化为热量，在CPW 的结尾配以四个纯阻性负载电阻，每个电阻的阻值均为200 Q。关于微波信号而言，四个200 Q的是并联的，因此构成50 Q的负载，与CPW 的特性阻抗持平，然后到达阻抗匹配的作用。
运用高频模仿软件HFSS模仿了传统结构和三明治结构的回波损耗S 模仿中运用的传感器结构参数与上面相同，模仿成果如图5所示。
图5（b） 运用H上t 模仿的S11
（A 曲线为三明治结构；B曲线为传统结构）
从图5（b）能够看出，三明治结构与传统结构的回波损耗根本共同，在1～6 GHz的频率范围内，三明治结构的S 小于一30 dB，在6～2O GHz的频率范围内，S 小于一20 dB，坚持了较小的损耗，显现了杰出的匹配特性。
3 传感器的制备工艺
3．1 根本单元规划
微波功率传感器中的终端负载电阻可用多种资料制备，如多晶硅电阻、镍化铬电阻、氮化钽电阻等，可是由于电阻的发热是传感器热传导的中心环节，所以就要求电阻所选用资料的温度系数要尽量小，并且为了整个传感器的稳定性，吸收电阻有必要具有长时间作业的才能。依据工艺条件，并考虑到电阻的精确度、稳定性以及资料的温度系数，选用了氮化钽薄膜电阻作为终端负载。热电堆的根本规划要求是要取得小的时间常数、高的呼应率及小的内阻，热电堆的这些参数由组成热电堆的资料及其结构决议。当热电堆的资料和热电堆的结构确认之后，热电堆的功能主要由热电偶的尺度和对数决议。减小热电偶的长度能够减小热电堆内阻和时间常数；添加热电偶的长度能够增大冷热端的温差；添加热电偶对数能够减小时间常数，增大呼应率，增大勘探率，但一起添加了内阻。在规划中应该充分考虑这些热电堆的功能参数，并进行折中以取得最佳结构，考虑到工艺线的实际情况，这儿咱们选用掺杂的GaAs以及Au作为热电偶的两臂来构成热电堆，这样不只能够具有较高的Seebeck系数并且内阻也比较小，并尽量加长臂长以取得较高的温差，一起使结构中
热电偶对数超越2O，以进步热电堆的功能，相应地也有利于进步传感器的灵敏度。
3．2 制备工艺
这儿选用GaAs单片微波集成电路（MMIC）Z艺来完成三明治型MEMS微波功率传感器的结构，一起运用MEMS加工工艺将热电堆热端下的衬底经过反面刻蚀的技能去除，以削减热损耗，三明治微波功率传感器的工艺流程示意图如图6（（a）～（g））所示。
图6 工艺流程示意图
4 定论
本文提出了一种新式的三明治结构MEMS微波功率传感器。这种新式传感器是依据传热学原理，运用四个并联的200 Q终端负载电阻呈上下散布的立体结构，以到达笔直传热的意图，而差异于传统微波功率传感器水平传热办法，因此在灵敏度上有了大幅进步。运用ANSYS模仿了三明治结构的终端负载电阻及热电堆温度散布并和传统型结构做了比较，经过比较能够发现，在输入相同功率的情况下（20 mW），三明治结构的热电堆热端具有更高的温度散布，最高点温度到达331 K，高于传统结构最高点1O K左右，因此在两种结构冷端温度根本持平的情况下，三明治结构冷热端具有更高的温度差，由于灵敏度和热电堆冷热端的温度差成正比，所以这种新式微波功率传感用具有比传统型传感器高得多的灵敏度。一起用HFSS模仿了传统结构和三明治结构的回波损耗S 三明治结构与传统结构的回波损耗根本共同，在1～6 GHz的频率范围内，三明治结构的S 小于-30 dB，在6～2O GHz的频率范围内，S 小于-20 dB，坚持了较小的损耗。最终给出了新式传感器的制作办法与工艺过程。
