MEMS微波功率传感器等效电路模型的研究

为了提高热电式微机电系统(MEMS)微波功率传感器的灵敏度,需要对传感器的热电特性进行研究。首先根据热-电变量之间的等效关系建立了传感器的等效电路模型,利用该模型研究了不同的GaAs衬底厚度对负载电阻电-热转换能力的影响;接着建立理论解析模型研究热传导、热对流、热辐射对不同衬底厚度的传感器的电-热转换能力的影响,推导出相应的负载电阻温度分布,验证了等效电路模型;最终,在等效电路模型的基础上建立灵敏度与噪声系数模型,综合考虑它们之间的制约关系,得到了使传感器综合性能最佳的衬底厚度设计区间。根据建立的等效电路模型,对特定衬底厚度下制备的热电式MEMS微波功率传感器进行实验测试,频率测量范围达到30 GHz,输入微波功率从1 mW增加至100 mW。该功率传感器结构的灵敏度分别为0.184 3 mV/mW@1 GHz、0.130 1 mV/mW@10 GHz、0.101 3 mV/mW@20 GHz、0.071 8 mV/mW@30 GHz,并且该结构具有较大的动态测试范围。     

热电式MEMS微波功率传感器模型的研究

为了提高热电式微机电系统(MEMS)微波功率传感器的灵敏度特性,建立了噪声系数、时间常数和灵敏度的理论解析模型。根据理论解析模型,分析得到了影响噪声系数、时间常数的首要因素、次要因素;然后,探究了噪声系数和时间常数对灵敏度特性的制约;最终,发现制约热电式MEMS微波功率传感器灵敏度特性的两个关键结构参数:热电偶的长度和数目。依据所建立的理论解析模型,设计了一种渐变结构的热电式MEMS微波功率传感器,实验表明该传感器在8~12 GHz频率范围的回波损耗在-22~-19 dB,具有较好的匹配特性。系统灵敏度分别为0.23 mV/mW@8 GHz、0.22 mV/mW@10 GHz、0.21 mV/mW@12 GHz,较与传统结构的灵敏度特性有了较大改善。因此,所建立的噪声系数、时间常数和灵敏度的理论解析模型对于研究热电式MEMS微波功率传感器具有一定的参考价值和指导意义。     

耦合式 MEMS 微波功率传感器的研究

为了从根本上解决在线式微波功率传感器灵敏度、动态范围和微波性能之间的矛盾,本文创新性地设计出一种耦合在 线式 MEMS 微波功率传感器,将微波功率的提取和检测两个过程相互独立。 根据理论解析模型,得到了灵敏度特性与耦合度 的关系,分析对比了耦合度分别为 10% 和 20% 时的微波特性及灵敏度特性差异。 实验结果表明:两种耦合式 MEMS 微波功率 传感器的反射损耗均小于-20 dB,说明具有良好的反射性能;两种耦合式 MEMS 微波功率传感器的插入损耗均大于-1. 5 dB,说 明具有良好的传输性能。 耦合度 10% 的系统灵敏度为 1. 2 mV/ W @ 9 GHz、1. 4 mV/ W @ 10 GHz 和 0. 8 mV/ W @ 11 GHz,耦合 度 20% 的系统灵敏度为 2. 4 mV/ W @ 9 GHz、2. 4 mV/ W @ 10 GHz 和 1. 3 mV/ W @ 11 GHz,并具有良好的线性度。 本文对于 MEMS 微波功率传感器研究具有一定的参考价值。     

双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性

为了降低双通道MEMS微波功率传感器的回波损耗,提高传感器的测量精度,对MEMS悬臂梁的匹配特性进行了研究。首先,通过双通道MEMS微波功率传感器结构构建S参数的理论解析模型,分析了双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性,得到了MEMS悬臂梁的间距和回波损耗系数S11的关系;接着利用有限元软件HFSS进行仿真,并和理论结果比较;然后,设计并制作了双通道微波功率传感器;最后,对该传感器的匹配特性进行了测试和分析。实验结果表明:当MEMS悬臂梁的间距为1.6μm时,该传感器在测量8~12GHz频率内的微波信号时,回波损耗小于-19dB。理论和仿真结果较为相符,因此S参数的理论解析模型可以较好地反映双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性,对双通道MEMS微波功率传感器的设计具有一定的指导意义。     

热电式MEMS微波功率传感器结构优化的研究

为了改善热电式微电子机械系统(MEMS)微波功率传感器的综合性能,研究了负载电阻与热电堆的间距、衬底背面刻蚀的厚度、长度以及热偶长度4个结构参数,将传感器分成3个区域讨论,建立了热电式MEMS微波功率传感器的灵敏度解析模型。此外,还研究了热电式MEMS微波功率传感器的时间常数模型,传感器的时间常数由负载电阻和热电堆的时间常数组成。最后,根据理论模型分析得出当减小负载电阻与热电堆的间距、增加背面刻蚀厚度、长度以及热偶长度为400μm时,能在保持较小的时间常数的情况下提高灵敏度,从而改善热电式MEMS微波功率传感器的综合性能,这对热电式MEMS微波功率传感器的结构参数的设计与优化具有一定的参考价值和指导意义。     

间接加热式MEMS微波功率传感器的模拟与设计

在提出间接加热终端式MEMS微波功率传感器的结构和工艺的基础上，对其基本单元：头面波导（CPW）、终端电阻和热电堆之间进行了匹配性设计，用软件HFSS进行了模拟，模拟结果包括共面波导与接触垫间的阻抗匹配的分析以及热电偶的数目和热电堆的接近对CPW性能影响的分析。根据这些模拟结果，传感器中接触垫与共面波导之间的渐进区长度设计为150μm，热电偶的对数设计为50对，热电堆与CPW之间的距离设计为50μm，并选择了GaAs和Au作为热电偶的两臂，TaN作终端电阻。     

直接加热终端式MEMS微波功率传感器的设计与模拟

提出了一种基于GaAs MMIC工艺的MEMS微波功率传感器.根据热电效应设计了一个X波段热偶微波功率传感器的结构,并对其温度分布用COVENTOR系统软件进行模拟,用HFSS对反射系数进行模拟.输入功率0～50mW,灵敏度为0.3V/W.S11约为-15db.     

基于单片式微波集成电路的终端式MEMS微波功率传感器(英文)

提出了一种基于塞贝克效应的终端式MEMS微波功率传感器,该传感器的制作工艺与GaAs单片式微波集成电路(MMIC)工艺兼容.利用热电偶检测温度差,生成与微波功率成比例的直流电压,由GaAs/Au热电偶串联构成热堆.传感器将电功率转化为热,再间接测量热堆生成的直流电压.采用微机械加工技术,去除了器件底部的GaAs衬底,从而减小了热损耗和电磁损耗,提高了灵敏度.测试结果表明,在0～20 GHz内,HFSS模拟的S11＜-22 dB;测试输入功率为-20～20 dBm时,频率为0～20 GHz;在20 GHz时,灵敏度高于0.15 mV/mW;在整个频率范围内,回波损耗低于-26 dB.     

Ku波段MEMS微波功率耦合器设计

针对现有的微波功率测量都基于热电偶和二极管等终端器件,功率信号在被检测后无法利用的问题,设计了一个基于微机电(MEMS)射频(RF)并联开关在Ku波段(12.4~18 GHz)应用的微波功率耦合器,包括等效电路、共面波导(CPW)匹配的设计和结构仿真。该耦合器是MEMS微波功率传感器的核心,它利用MEMS膜桥耦合CPW上的微波功率信号,大部分功率信号被检测后都能传至下级电路做进一步处理。为了减小反射损耗和获得宽频带响应,提出了两种优化方法,即凹槽调谐结构设计和补偿电容设计,经过优化设计后的Ku波段MEMS微波功率耦合器的回波损耗(S₁₁)和插入损耗(S₂₁)在中心频率15.2 GHz处分别达到了-42.90 dB和-0.15 dB,显示出耦合器的高隔离度和低损耗。同时在Ku波段,上述参数同中心频率点处的偏差分别为±6.41 dB和±0.04 dB,显示出其宽带特性。     

对称式微波功率传感器的设计

为了克服传统微波功率传感由于失配和热损耗带来的微波功率测量误差,提出了一种基于MEMS技术的对称式微波功率传感器,对该微波功率传感器的微波损耗、温度分布以及微波功率的精确测量进行了研究.首先,根据提出的损耗模型推导了微波损耗功率和损耗电压的表达式,并建立了该传感器的传热解析模型;接着,设计并制作了该微波功率传感器;最后...     

一种在线微机械微波功率传感器的研究

介绍了一种在线微机械微波功率传感器的结构,该传感器用来连续监测来自于MMIC放大器或多级微波放大器各级之间的微波功率,它由功率取用、功率放大和功率测量三部分构成,分别用微带线定向耦合器、微波功率放大器和间接加热终端式微机械微波功率传感器实现.微波功率传感器通过嵌入到微波和毫米波单片集成电路中,实现微波功率的在线监测.     

基于MEMS压力传感器的研究

提出了一种新型高精度高温压力传感器,此压力传感器以硅片为弹性片,敏感材料为Ni-Cr合金,利用溅射合金薄膜压力敏感元件和先进的加工工艺技术制作而成。对溅射薄膜压力传感器弹性膜应变进行理论和三维有限元分析,再用先进的软件ANSYS模拟弹性膜片的应变分布,研究应变与膜的大小、厚度的关系。最后确定敏感电阻的最佳布置区域,提高了传感器的灵敏度。     

新型MEMS质量传感器的研究

研究了一种新型MEMS质量传感器的设计、仿真与制造.这种用于流体中微小分子质量检测的MEMS器件,具有高度对称的中空圆盘结构,以谐振的方式工作于简并/解并模态,能在测量时实现对环境波动的自我补偿.器件的中空腔内可以流过被测流体,腔外的真空环境使得圆盘谐振器受到更小的阻尼.利用ANSYS对圆盘在质量吸附前后的模态及频率分裂进行仿真,计算结果显示对质量的测量灵敏度达pg量级.采用MEMS双牺牲层工艺方法成功制作出具有双层结构的空心圆盘谐振器.     

MEMS铁磁磁场传感器的研究

提出了一种新型的基于Si压阻效应的铁磁体MEMS磁场传感器结构,其结构由制作在硅桥敏感膜表面的惠斯通电桥和在膜中间旋涂环氧胶沾上铁磁体制成。铁磁体在外磁场中磁化产生磁力,磁力耦合到硅桥敏感膜上会产生应力使膜上的惠斯通电桥产生电压输出以达到测量磁场的目的。文章先通过有限元软件对铁磁体在磁场中的受力大小和磁场传感器在磁力下的输出进行了仿真,然后对该结构进行了测试,仿真结果和实验结果较接近。实验测得该传感器最大灵敏度为70 mV/T,分辨率为330μT。该磁场传感器结构简单、工艺成熟、成本低,易于大批量生产。     

基于 MEMS 的量热式传感器气体流量测量的模型研究

气体流量测量广泛应用于呼吸监测、管道运输等领域。本研究细致分析了MEMS量热式传感器温度一维分布模型中的热边界层参数,进行了相应的经验修正。并且在温度一维分布模型的基础上,针对具有两对上下游测温电阻芯片结构的MEMS量热式传感器,提出了一种新的传感器输出电压关于气体流量的半修正理论模型。该理论模型能够适用于不同类型的单介质气体。同时,开展了N₂、CO₂流量测量实验,与理论模型进行对比,证明所提出的理论模型可以正确预测不同气体介质的流量,其中针对CO₂测量介质的均方根误差为0.15%。此外,结合理论分析,提出了一种高精度,拟合形式简单、针对确定气体适用性更好的测量模型,其中针对CO₂测量介质的均方根误差为0.05%。     

MEMS传感器研究现状与发展趋势

微型化、集成化及智能化是当今科学技术的主要发展方向。随着微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)和微加工技术的发展,微型传感器也随之迅速发展。介绍了MEMS传感器概念及种类,并对其研究现状、应用领域进行了分析总结和介绍。最后,对MEMS传感器的一些发展趋势进行了论述和展望。     

MEMS传感器和智能传感器的发展

MEMS传感器和智能传感器是新型传感器的代表，具有集成化和智能化的特点。介绍了2种传感器的最新发展状况，包括测量精度、灵敏度、体积、转化机理、融合理论等方面。列举了2种传感器的应用实例，如仿生机器人、微纳卫星、计算机视觉系统等。分析了传感器发展的趋势，涉及精度、可靠性、微型化、微功耗、智能化、数字化等方面。     

MEMS电容应变传感器

本文详细介绍了一种用硅玻璃键合工艺制作的微型梁式电容应变传感器,通过ANSYS软件并结合MEMS器件的特点进行优化,设计并制作了由MEMS工艺实现的微型梁式电容应变传感器.为保证应变器件稳定工作,在测量电路中加一直流静电驱动电压在电容器的极板之间,以保证建立的电场在两极之间产生一个静电力,引起膜片发生向下形变的弯曲,从而保证作用在轴向的应力不会使应变梁产生失稳.文中详细给出了工艺流程和测试结果,通过实验测试证明,用这种方法制作的电容应变器件具有良好的线性、较小的滞后和稳定的工作特性,其中应变灵敏度达10 fF/MPa,测量误差小于1%FS.     

MEMS高温压力传感器研究与进展

MEMS高温压力传感器随着新型半导体材料和加工工艺的不断深入研究而迅速发展,近年来这一研究方向涌现出不少研究成果.对国内外具有主导影响的多晶硅、SOI、SOS、金刚石薄膜、SiC、电容式、声表面波、光纤式等几类耐高温压力传感器的研究进展、技术关键及应用情况等做回顾论述,并针对各自的主要优缺点进行对比分析和讨论,最后展望了高温压力传感器的发展趋势.     

MEMS传感器性能提高相关技术研究

在分析MEMS（微电子机械系统）传感器当前的发展现状、特点特别是在器件实用化和产品化进程中所面临的挑战后，提出了MEMS传感器技术实用化的关键－提高器件性能满足应用要求。根据研究经历举例说明改进传感器材料、结构、制作工艺和器件工作原理等具体措施对提高器件性能的作用。