RF MEMS 微波功率传感器的设计与分析

论文摘要

本论文提出了一种新型RF MEMS微波功率传感器,并对其进行了深入的理论研究与分析设计。组成它的基本元件是：特征阻抗为500的共面波导（CPW, Coplanar Waveguide）,终端薄膜吸收电阻和热电堆,它的基本工作原理是：当信号从共面波导的中间信号线传输到波导终端时,终端薄膜吸收电阻把传输过来的功率吸收并将其转化为热量,引起热电堆热端温度上升,与冷端形成温度差,由于热电堆的SEEBECK效应,冷端输出直流电压,通过对输出电压的测量来达到对输入功率测量的目的。热电堆是基于自产生效应,也就是说不需要额外的偏置就能将热信号转变为电信号；采用微机械共面波导实现信号输入,是为了能够实现与集成电路集成在一起从技术发展的角度来看,由于砷化镓制作工艺已经趋于成熟且对砷化镓材料的特性研究也较为深入,在RF方面,砷化镓特性要比传统的硅材料的具有明显的优势,所以RF MEMS的器件选用已砷化镓作为衬底。经过对现有的微波功率传感器的了解与性能分析,本论文以全面提高微波功率传感器性能为目标,设计出一种新型的RF MEMS微波功率传感器。所设计的传感器的主要性能指标是：功率范围l0uW-100mW；频率范围2-70GHz；灵敏度范围3～4mV/mW,响应时间范围4-6ms。为了达到上述要求,论文主要对传感器进行了下面的研究：1、设计RF MEMS功率传感器的基本结构;2、从RF/微波的基本理论出发,对共面波导电磁场的分布和电磁波的传播特性进行了深入的分析。3、研究了RF MEMS功率传感器的工作原理,通过对各个组成元件的模型分析,确定了传感器的制作材料、几何尺寸和性能参数；4、通过对传感器传热学模型的分析,对整个传感器的结构进行了优化调整,并最终确定了结构、计算出了各个性能参数；5、由于该传感器是应用与RF频段,因此共面波导的电磁场分布、终端电阻的吸收电磁波情况,利用高频电磁有限元分析软件ANSOFT HFSS进行仿真分析,并以此为依据对传感器进行结构优化；6、利用ANSYS有限元分析软件,对热电偶的温度分布和电压分布进行模拟,以此来验证SEEBECK效应,并对热电偶尺寸进行优化。7、利用成熟的MEMS加工工艺,对本传感器的制作加工工艺进行了简单的介绍和分析。相对与已有的微波功率传感器,本论文所设计的RF MEMS微波功率传感器具有灵敏度高、响应速度快以及与MMIC标准制造工艺兼容等优点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 微波功率传感器的种类
• 1.2 微波功率传感器的应用
• 1.3 RF MEMS微波功率传感器
• 1.4 本论文的组织结构
• 1.5 本章小结
• 第二章 RF/微波基础理论
• 2.1 RF/微波的频带
• 2.2 电磁场理论
• 2.2.1 麦克斯韦方程组
• 2.2.2 波动方程
• 2.2.3 电磁场的边界条件
• 2.3 RF/微波波段电磁波的传输
• 2.4 传输线的特征阻抗
• 2.5 传输线的工作状态及功率问题
• 2.5.1 传输线的三种工作状态
• 2.5.2 传输线上的功率问题
• 2.6 共面波导简介
• 2.6.1 共面波导的结构和性能
• 2.6.2 共面波导的电磁波传播模式
• 2.7 共面波导的电磁场分布
• 2.8 本章小结
• 第三章 RF MEMS微波功率传感器的基本单元分析
• 3.1 共面波导单元
• 3.1.1 共面波导的损耗
• 3.1.2 减小损耗的方法
• 3.1.3 损耗情况的软件仿真
• 3.2 终端电阻单元
• 3.2.1 终端电阻材料的选择
• 3.2.2 终端电阻的匹配结构
• 3.3 热电堆单元
• 3.3.1 热电偶测温原理（SEEBECK效应）
• 3.3.2 热电偶的性能
• 3.4 本章小结
• 第四章 RF MEMS功率传感器的模型分析与优化
• 4.1 共面波导的分析设计
• 4.1.1 自由空间中单位长度的电容的分析
• 4.1.2 单层衬底上的共面波导单位长度的电容
• 4.1.3 薄绝缘层的单位电容
• 4.1.4 共面波导的特征阻抗和尺寸
• 4.2 共面波导与信号线的连接
• 4.3 终端电阻的热学模型分析
• 4.3.1 终端电阻吸收效率的分析
• 4.3.2 终端电阻总热阻的分析
• 4.3.3 终端电阻的尺寸
• 4.3.4 终端电阻的稳态温度与响应时间
• 4.4 热电堆模型分析
• 4.4.1 热电堆材料的选择
• 4.4.2 热电堆的热学模型分析
• 4.5 传感器的工作频带
• 4.5.1 频带的下限
• 4.5.2 频带的上限
• 4.6 传感器的性能指标
• 4.7 本章总结
• 第五章 RF MEMS微波功率传感器的工艺
• 5.1 GaAs基微机械加工工艺简介
• 5.1.1 体微机械加工技术
• 5.1.2 表面微机械加工技术
• 5.2 传感器的制作工艺
• 5.2.1 共面波导的制备工艺
• 5.2.2 终端电阻的制备工艺
• 5.2.3 GaAs衬底的刻蚀
• 5.2.4 热电堆的制备工艺
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文工作与总结
• 6.2 对进一步研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录