间接加热式MEMS微波功率传感器的研究

论文题目: 间接加热式MEMS微波功率传感器的研究

论文类型: 硕士论文

论文专业: 微电子学与固体电子学

作者: 范小燕

导师: 廖小平

关键词: 微波功率传感器,共面波导,终端电阻,热电堆,砷化镓

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文介绍的是间接加热式微波功率传感器。本文提出的间接加热式微波功率传感器是基于热转换原理设计的，就是将输入的微波能量转化为热量，并通过测量温度来实现功率测量的。间接加热式微波功率传感器包括三个主要元件：微机械共面波导、终端负载、热电堆。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。该传感器是采用微机械共面波导实现信号输入的，这也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，由于硅制作工艺较为成熟且对硅的材料特性研究深入，所以现在MEMS器件大多是制作在硅衬底上的。但是由于硅衬底的高频缺陷，所以为了确保传感器的高频性能，并且与标准工艺兼容，就必须采用砷化镓衬底。本文将主要研究基于砷化镓衬底的间接加热式微波功率传感器，本文中传感器的工艺是与MMIC(单片微波集成电路)标准工艺相兼容的。 本文从提高灵敏度以及响应速度方面来设计间接加热式微波功率传感器。本文所设计的传感器的主要性能指标是：功率范围0.01-10mW；频率范围3-20GHz；灵敏度10mV／mW；烧毁功率＞50mW。为了设计和制作符合要求的间接加热式微波功率传感器，论文主要对该传感器进行了下面的研究。 本文首先设计了间接加热式微波功率传感器的结构。在此过程中，研究了间接加热式微波功率传感器的基本工作原理，确定了传感器性能参数与具体几何尺寸的关系，设计和进一步优化了此传感器；根据对传感器热量传递的分析，对传感器结构进行了改进；利用有限元分析软件Coventorware和ANSYS对所设计的传感器进行了热模拟分析，并将其模拟结果与已有的实验数据比较，从而为此传感器的进一步优化设计和模拟分析及验证提供了一个很好的方法和途径；对几种结构进行了热模拟分析并比较其优缺点，确定最终结构。而且，由于该传感器是应用于高频段，热电堆对共面波导性能的影响以及共面波导与接触垫之间的阻抗匹配都会影响传感器的工作频率范围。针对这些问题，本文对其共面波导部分的微波特性进行了分析，利用高频有限元软件HFSS计算其回波损耗，从而设计并优化了传感器结构。 其次是在此结构设计的基础上，根据电子信息产业部第55所的工艺条件，对本文的间接加热式微波功率传感器进行了版图和工艺设计。 相对于已有的微波功率传感器，本文所设计的间接加热式微波功率传感器具有灵敏度高、响应速度快以及完全与MMIC标准制造工艺兼容等优点。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 微电子机械系统(MEMS)

1.1.1 微电子机械系统的基本定义

1.1.2 MEMS的特点

1.1.3 MEMS的广泛应用

1.2 射频微机械系统和微波功率传感器

1.2.1 射频微机械系统的研究背景

1.2.2 微波功率传感器

1.3 目前存在的问题以及本论文的工作

1.3.1 目前存在的问题

1.3.2 本论文的工作

1.4 结论

第二章 间接加热式微波功率传感器的工作原理和设计分析

2.1 间接加热式微波功率传感器中的传热机制

2.1.1 热传导(导热)

2.1.2 对流换热

2.1.3 辐射换热

2.2 间接加热式微波功率传感器的工作原理以及传热路径

2.2.1 间接加热式微波功率传感器工作原理

2.2.2 间接加热式微波功率传感器的传热路径

2.3 传感器中的基本单元及性能

2.3.1 共面波导

2.3.2 终端电阻

2.3.3 热电堆

2.4 总体结构的性能指标

2.5 目标要求和设计确定

2.6 结论

第三章 间接加热式微波功率传感器的模拟与设计

3.1 微机械共面波导的分析与设计

3.1.1 微机械共面波导特性阻抗的电容分析

3.1.2 共面波导与接触垫之间的阻抗匹配分析

3.2 热电堆的分析与设计

3.2.1 半导体温差电动势影响因素

3.2.2 热电堆的性能参数

3.2.3 热电堆的分析与设计

3.3 共面波导与电阻的温度场分析

3.3.1 采用Coventorware软件模拟

3.3.2 采用ANSYS软件模拟

3.3.3 模型验证

3.4 三种结构的比较

3.4.1 热电堆处于终端电阻的下方

3.4.2 热电堆在终端电阻的上方

3.4.3 热电堆在终端电阻的外侧

3.5 共面波导与热电堆的分析

3.5.1 热电偶的数目对共面波导的影响

3.5.2 热电堆的靠近对共面波导性能的影响

3.6 结论

第四章 间接加热式微波功率传感器的工艺与版图设计

4.1 工艺设计

4.1.1 间接加热式微波功率传感器的工艺流程

4.1.2 版图设计

4.2 薄膜制造工艺

4.2.1 Si衬底的刻蚀

4.2.2 GaAs衬底的刻蚀

4.3 总结

第五章 总结与展望

5.1 本论文工作的主要内容

5.2 对进一步研究工作的展望

致谢

作者简介

攻读硕士期间发表的论文

参考文献

发布时间: 2007-06-11

参考文献

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