基于新型三明治结构的MEMS微波功率传感器结构设计

提出了一种新型的三明治结构MEMS微波功率传感器结构，与传统传感器相比，新结构由于采用了垂直传热方式而具有较小的热损耗。在输入相同功率的情况下，模拟了热电堆的温度分布，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。同时模拟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，显示了良好的匹配特性。

微波信号的功率是微波电路、微波系统中最重要的参数之一，微波功率传感器可以用于测量微波信号的功率，而基于热电转换的微波功率传感器是各种同类型传感器中最为准确的一种_1］。随着经济的发展、科技的进步，这种传感器已被广泛应用于测量微波发射机／接收机的输出／输人功率、振荡器的输出功率、信号源的输出电平等，具有快速响应、高灵敏度、宽频带和高烧毁水平等优点，在国防、通讯、科研等领域有着广泛的用途。

到目前为止，已经有很多文献［2—5］报导了各种不同结构形式的基于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）为传输线接收待测微波功率，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附近的热电堆温度升高，根据Seebeck效应，在热电堆两端有直流电压输出，通过测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直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大量的热损失，为了减小各种热损失带来的测量误差，一些文献采用了各种复杂的工艺形成了诸如悬臂梁式［63、岛式［7］、衬底掏空式［8］传感器结构，以提高传感器热阻的方式来降低上述各种热损失，这些措施在一定程度上提高了功率测量的准确度，但也增加了工艺的难度，为了解决上述困难，本文提出了一种新型的三明治结构MEMS微波功率传感器，可以在较大程度上提高传感器的测量精度，减少工艺的复杂程度。

终端负载电阻 热电堆

图1 传统的微波功率传感器结构

1 新型微波功率传感器结构及工作原理

传统微波功率传感器存在着各种热损失，包括热传导、热对流和热辐射损失。其中热传导损失最为严重，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形式进行热传递，中途会导致大量的热损失，因而灵敏度受此影响而无法提高，为了解决上述困难，本文提出了一种新型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中可以看出，与传统的结构相比，新型结构使用了四个并联的200 Q终端负载电阻呈上下分

布的垂直结构，来代替传统结构中使用两个i00 Q负载电阻的水平结构，将热电堆夹在电阻中间，这里称为三明治结构。相对于传统的微波功率传感器结构，三明治型结构由于采用了垂直传热的形式，因而大大减少了热量的损失，灵敏度有了大幅提升。

2 软件模拟

2．1 温度场模拟

使用有限元软件ANSYS模拟了三明治结构的终端负载电阻及热电堆温度分布，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，模拟得到的温度分布如图3所示。还模拟了具有相同结构尺寸的传统型传感器的温度分布，并比较了三明治型和传统型传感器的热电堆热

端温度分布，如图4所示。

图3 传感器温度分布图

图4 热电堆温度分布图

从图4可以看出，在输入相同功率的情况下（20mw），三明治结构的热电堆热端（靠近终端负载电

阻的一端）具有更高的温度分布，最高点温度达到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）温度基本相等的情况下，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，这种新型微波功率传感器具有比传统型传感器高得多的灵敏度。

2．2 S参数模拟

本文中的传感器是利用共面波导作为待测微波信号的传输线将其引入到测量系统中，其特性阻抗为50 Q。为了将微波信号转化为热量，在CPW 的末端配以四个纯阻性负载电阻，每个电阻的阻值均为200 Q。对于微波信号而言，四个200 Q的是并联的，因而形成50 Q的负载，与CPW 的特性阻抗相等，从而达到阻抗匹配的效果。

使用高频模拟软件HFSS模拟了传统结构和三明治结构的回波损耗S 模拟中使用的传感器结构参数与上面相同，模拟结果如图5所示。

图5（b） 使用H上t 模拟的S11

（A 曲线为三明治结构；B曲线为传统结构）

从图5（b）可以看出，三明治结构与传统结构的回波损耗基本一致，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，保持了较小的损耗，显示了良好的匹配特性。

3 传感器的制备工艺

3．1 基本单元设计

微波功率传感器中的终端负载电阻可用多种材料制备，如多晶硅电阻、镍化铬电阻、氮化钽电阻等，但是由于电阻的发热是传感器热传导的核心环节，所以就要求电阻所采用材料的温度系数要尽量小，而且为了整个传感器的稳定性，吸收电阻必须具有长期工作的能力。根据工艺条件，并考虑到电阻的精确度、稳定性以及材料的温度系数，采用了氮化钽薄膜电阻作为终端负载。热电堆的基本设计要求是要取得小的时间常数、高的响应率及小的内阻，热电堆的这些参数由组成热电堆的材料及其结构决定。当热电堆的材料和热电堆的结构确定之后，热电堆的性能主要由热电偶的尺寸和对数决定。减小热电偶的长度可以减小热电堆内阻和时间常数；增加热电偶的长度可以增大冷热端的温差；增加热电偶对数可以减小时间常数，增大响应率，增大探测率，但同时增加了内阻。在设计中应该充分考虑这些热电堆的性能参数，并进行折中以获得最佳结构，考虑到工艺线的实际情况，这里我们采用掺杂的GaAs以及Au作为热电偶的两臂来形成热电堆，这样不仅可以拥有较高的Seebeck系数而且内阻也比较小，并尽量加长臂长以获得较高的温差，同时使结构中

热电偶对数超过2O，以提高热电堆的性能，相应地也有利于提高传感器的灵敏度。

3．2 制备工艺

这里采用GaAs单片微波集成电路（MMIC）Z艺来实现三明治型MEMS微波功率传感器的结构，同时使用MEMS加工工艺将热电堆热端下的衬底通过背面刻蚀的技术去除，以减少热损耗，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 结论

本文提出了一种新型的三明治结构MEMS微波功率传感器。这种新型传感器是基于传热学原理，使用四个并联的200 Q终端负载电阻呈上下分布的立体结构，以达到垂直传热的目的，而区别于传统微波功率传感器水平传热方式，因此在灵敏度上有了大幅提升。使用ANSYS模拟了三明治结构的终端负载电阻及热电堆温度分布并和传统型结构做了比较，通过比较可以发现，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分布，最高点温度达到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基本相等的情况下，三明治结构冷热端具有更高的温度差，因为灵敏度和热电堆冷热端的温度差成正比，所以这种新型微波功率传感器具有比传统型传感器高得多的灵敏度。同时用HFSS模拟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基本一致，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，保持了较小的损耗。最后给出了新型传感器的制造方法与工艺步骤。