CN106932636B - 三指交错结构的电容式微波功率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三指交错结构的电容式微波功率传感器，以砷化镓为衬底，在衬底上设计有共面波导传输线、在线电容式微波功率传感器，在线电容式微波功率传感器包括在衬底上交错地固定着三个MEMS悬臂梁，其中两个MEMS悬臂梁下表面镀有绝缘层氮化硅，中间的MEMS悬臂梁无绝缘层，作为由两个无绝缘层MEMS悬臂梁形成电容的电介质。当微波信号在共面波导传输时，会在无绝缘层的MEMS悬臂梁上产生一个静电力使梁产生位移，而在两个镀有绝缘层的MEMS悬臂梁上产生的静电力不足以使其下拉；引起两个镀有绝缘层的MEMS悬臂梁间形成的电容的介电常数改变，由电容检测电路检测出电容的变化量，从而推出微波信号的功率幅值。
Description
技术领域
本发明涉及一种三指交错结构的电容式微波功率传感器，属于微电子机械系统技术领域。
背景技术
在微电子机械系统（MEMS）的微波研究中，微波功率是表征微波信号的一个重要参数。在微波信号的产生、传输及接收各个环节的研究中，微波功率的检测是必不可少的。最常见的微波功率检测器是基于热电转换原理的终端功率传感器，它们具有低损耗和高灵敏度的优点，但缺点是在测量微波功率时完全消耗输入功率。
随着微电子技术的发展，出现了在线微波功率传感器，使得在测量功率时微波信号还是可用的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供三指交错结构的电容式微波功率传感器，在衬底上交错地固定着三个MEMS悬臂梁，两个下表面镀有绝缘层的MEMS悬臂梁形成的电容，中间MEMS悬臂梁充当电容的部分电介质，当微波信号传导时，使无绝缘层的悬臂梁下拉，电容的电介质改变；在不影响微波信号传输的情况下，通过测量改变的电容值就可以实现对微波功率的在线检测。本发明可对微波信号的功率进行在线测量，测量时微波信号仍可用，误差较小，结构新颖，且便于集成。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种三指交错结构的电容式微波功率传感器，该传感器以砷化镓为衬底，在衬底上设有共面波导CPW传输线、在线电容式微波功率传感器；所述共面波导CPW传输线包括CPW信号线以及设置在信号线两侧的第一地线和第二地线；所述在线电容式微波功率传感器由三个交错固定在衬底上的MEMS悬臂梁构成，其中，第一MEMS悬臂梁设置在CPW信号线和第一地线之间，第二、第三MEMS悬臂梁设置在CPW信号线和第二地线之间，第二、第一、第三MEMS悬臂梁依次成三指交错状排列分布；第二、第三MEMS悬臂梁的下表面分别镀有绝缘层，形成一个电容，第一MEMS悬臂梁的下表面未镀有绝缘层，作为该电容的电介质；从第二、第三MEMS悬臂梁分别引出两个电极，作为电容检测端口。
作为本发明的进一步优化方案，每个所述MEMS悬臂梁均通过桥墩固定在衬底上。
作为本发明的进一步优化方案，桥墩由金制作成。
作为本发明的进一步优化方案，每个所述MEMS悬臂梁均由金制作而成。
作为本发明的进一步优化方案，所述共面波导CPW传输线设置在衬底的中间。
作为本发明的进一步优化方案，两个所述电极口由金制作。
作为本发明的进一步优化方案，第二、第三MEMS悬臂梁下表面的绝缘层均为氮化硅。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，本发明三指交错结构的电容式微波功率传感器具有以下显著的优点：
1、结构新颖：相比传统的MEMS悬臂梁结构的微波功率传感器，本发明是由三个交错的MEMS悬臂梁构成，且其中两个MEMS悬臂梁下表面镀有绝缘层，中间的MEMS悬臂梁无绝缘层，结构新颖；
2、灵敏度高：当信号传输过来时，在无绝缘层的MEMS悬臂梁上产生一个静电力，使梁下拉，这样两个镀有绝缘层的MEMS悬臂梁之间形成电容的电介质变化，电容改变量比传统的电容式MEMS微波功率传感器大；且本发明采用悬臂梁结构，相比传统的固支梁结构能够减少梁上的残余应力对微波性能的影响，灵敏度高；
3、在线测量：当微波信号在信号线传输时就使无绝缘层的MEMS悬臂梁下拉，进而改变了两个镀有绝缘层的MEMS悬臂梁之间形成电容的电介质；本发明提取和测量同时进行，并未完全消耗微波功率，使微波信号到达终端还是可用的，便于与其它微波系统的片上集成（On-chip Integration）；
4、本发明是基于MEMS技术，具有MEMS的基本优点，如体积小、重量轻、功耗低等；
5、本发明的结构全部都是无源器件构成，不需要消耗直流功率；且与单片微波集成电路（MMIC）工艺完全兼容，便于集成，这一系列优点是传统的微波功率检测器无法比拟的，因此它具有很好的研究和应用价值。
附图说明
图1是本发明三指交错结构的电容式微波功率传感器的结构示意图。
图2是本发明在测量功率时的局部图。
图中：1-砷化镓衬底，2-CPW信号线，3、4-CPW地线，5、8、9-MEMS悬臂梁，6、7-绝缘层氮化硅，10-膜桥，11、12-电极，13-工作时的MEMS悬臂梁，14-静止时无绝缘层的MEMS悬臂梁。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明的三指交错结构的电容式微波功率传感器，如图1所示，由砷化镓作为衬底，衬底上设有的共面波导CPW传输线、在线电容式微波功率传感器组成。共面波导CPW传输线是由CPW中心信号线和CPW地线组成。电容式微波功率传感器是在衬底上交错地固定着三个MEMS悬臂梁，其中两个MEMS悬臂梁下表面镀有绝缘层氮化硅，这两个MEMS悬臂梁形成一个电容；中间的MEMS悬臂梁无绝缘层，无绝缘层的MEMS悬臂梁可充当电容的一部分电介质；从两个镀有绝缘层的MEMS悬臂梁引出两个电极，作为电容检测端口。当微波信号在共面波导传输时，会在无绝缘层的MEMS悬臂梁上产生一个静电力使梁下拉，而在两个镀有绝缘层的MEMS悬臂梁上产生的静电力不足以使其下拉；这样，两个镀有绝缘层的MEMS悬臂梁间形成的电容的介电常数改变，通过电容检测电路测出电容的变化量，从而测出功率。
本发明的实施例中，如图1所示，在砷化镓衬底1的中间设有CPW中心信号线2，在CPW中心信号线2两侧分别设有CPW地线3和CPW地线4，CPW地线3与CPW中心信号线2之间是通过桥墩（桥墩由金制作而成）固定的由金制作的MEMS悬臂梁5，CPW地线4和CPW中心信号线2之间是两个通过桥墩固定的由金制作的MEMS悬臂梁8、9，在MEMS悬臂梁8、9的下表面分别镀有绝缘层氮化硅6、7。MEMS悬臂梁8、9形成一个电容，MEMS悬臂梁5充当该电容的电介质。从MEMS悬臂梁8、9引出两个电极11、12，作为电容检测端的端口，其中，电极11、12是由金制作成的。三个MEMS悬臂梁5、8、9依次成三指交错状排列分布， MEMS悬臂梁8、9之间固定着MEMS悬臂梁5。
从MEMS悬臂梁8、9引出的作为电容检测端口的电极11、12一般可以有两种实现方式：一种是将两个电极直接从CPW地线4和CPW中心信号线2之间穿过；另一种如图1所示，先从CPW地线4中间截取两个缺口以供两个电极穿过（电极与CPW地线4不相交）、再通过膜桥10将截断的CPW地线4连接起来。
本发明三指交错结构的电容式微波功率传感器工作时如图2所示，MEMS悬臂梁8、9的下表面镀有绝缘层氮化硅，这两个MEMS悬臂梁形成一个电容；中间的MEMS悬臂梁5无绝缘层，无绝缘层的MEMS悬臂梁5可充当电容的一部分电介质。当微波信号在共面波导传输时，会产生一个静电力，使无绝缘层的MEMS悬臂梁5下拉，而在两个镀有绝缘层的MEMS悬臂梁8、9上产生的静电力不足以使其下拉；这样，两个镀有绝缘层的MEMS悬臂梁8、9间形成的电容的介电常数改变，通过电容检测电路测出电容的变化量，从而测出微波功率。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.三指交错结构的电容式微波功率传感器，其特征在于，该传感器以砷化镓为衬底，在衬底上设有共面波导CPW传输线、在线电容式微波功率传感器；所述共面波导CPW传输线包括CPW信号线以及设置在信号线两侧的第一地线和第二地线；所述在线电容式微波功率传感器由三个交错固定在衬底上的MEMS悬臂梁构成，其中，第一MEMS悬臂梁设置在CPW信号线和第一地线之间，第二、第三MEMS悬臂梁设置在CPW信号线和第二地线之间，第二、第一、第三MEMS悬臂梁依次成三指交错状排列分布；第二、第三MEMS悬臂梁的下表面分别镀有绝缘层，形成一个电容，第一MEMS悬臂梁的下表面未镀有绝缘层，作为该电容的电介质；从第二、第三MEMS悬臂梁分别引出两个电极，作为电容检测端口；
每个所述MEMS悬臂梁均通过桥墩固定在衬底上；
每个所述MEMS悬臂梁均由金制作而成。
2.根据权利要求1所述的三指交错结构的电容式微波功率传感器，其特征在于，桥墩由金制作成。
3.根据权利要求1所述的三指交错结构的电容式微波功率传感器，其特征在于，所述共面波导CPW传输线设置在衬底的中间。
4.根据权利要求1所述的三指交错结构的电容式微波功率传感器，其特征在于，两个所述电极由金制作。
5.根据权利要求1所述的三指交错结构的电容式微波功率传感器，其特征在于，第二、第三MEMS悬臂梁下表面的绝缘层均为氮化硅。
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