CN106199173A - 基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统及方法 - Google Patents

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高波
武乐乐
张艺菲
王德波
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R21/00—Arrangements for measuring electric power or power factor

Abstract

本发明公开了一种基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统，该悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统以砷化镓为衬底，在衬底上设计有共面波导传输线和四个不同长度的MEMS悬臂梁：当待测微波功率较小时，由于静电力较小，只有较长的MEMS悬臂梁臂下拉；当待测微波功率较大时，由于静电力较大，可以使较短的MEMS悬臂梁臂下拉。本发明还公开了一种基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统的检测方法，根据MEMS悬臂梁的电容变化量与微波功率是一一对应的关系，就可以测量出微波信号的功率。本发明系统结构简单，测量幅度范围大、不消耗直流功率，且便于集成；不仅可以扩展检测功率的动态范围，而且还可以提高检测功率的精度。

Description

基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统及方法
技术领域
本发明涉及微电子机械系统的技术领域，特别是基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统及方法。
背景技术
在微波研究中，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微波功率传感器，它把微波信号通过负载电阻转化成热，然后再利用热电堆的Seebeck效应把此热转换成与待测微波功率成正比的直流电压输出。传统微波功率传感器的缺点在于测量的信号幅度比较小，测量幅度较大的信号需要外置的耦合器或者衰减器。近20多年来，随着MEMS技术的飞速发展，对MEMS悬臂梁结构进行了深入的研究，使得采用MEMS悬臂梁结构实现微波功率检测成为可能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，而提供一种基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统及方法，可对微波信号的功率进行精确测量，测量信号的幅度范围大、而且便于集成。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统，包括衬底，衬底上设有共面波导CPW信号线，CPW信号线的两侧分别设有CPW地线，每根CPW地线旁各设有电容检测第一端口和电容检测第二端口，每根CPW地线上均设有2个桥墩，每个桥墩上分别设有一个MEMS悬臂梁，这4个MEMS悬臂梁的长度是不同的，MEMS悬臂梁的下方设有传感电极，传感电极与其同侧的电容检测第一端口之间设有膜桥，膜桥的下方设有连接线，传感电极通过连接线与其同侧的电容检测第一端口连接，CPW地线与其同侧的电容检测第二端口连接，连接线上、MEMS悬臂梁下方的CPW信号线上、传感电极上均设有绝缘介质层。
作为本发明所述的一种基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统进一步优化方案，所述衬底为GaAs衬底。
作为本发明所述的一种基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统进一步优化方案，CPW信号线设在GaAs衬底上的中间。
作为本发明所述的一种基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统进一步优化方案，所述绝缘介质层为氮化硅介质层。
基于上述的一种基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统的检测方法，微波功率在通过CPW信号线时，会产生静电力，从而将四个长度不同的MEMS悬臂梁下拉，引起MEMS悬臂梁与传感电极之间电容发生变化，电容的变化量与信号功率幅度是一一对应的，从而检测出信号功率的幅值。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）动态范围大：当待测微波功率较小时，较长的MEMS悬臂梁臂容易下拉，电容发生变化；当待测微波功率较大时，使较短的MEMS悬臂梁臂下拉，电容发生变化；从而可以扩展检测功率的动态范围；
（2）精度高：级联的悬臂梁结构，在微波功率较大时，不管是长的还是短的悬臂梁都会下拉，使得在测量大微波功率时电容动态范围更大，单位变化电容下的检测功率更小，从而提高测量精度；
（3）本发明这种结构是基于MEMS技术的，具有MEMS的基本优点，如体积小、重量轻、功耗低等；该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是基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统的原理图。
图2是基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统的俯视图。
图中的附图标记解释为：1- CPW信号线，2-CPW地线，3-电容式MEMS微波功率传感器的传感电极，4-1、4-2、4-3、4-4为四个不同长度的MEMS悬臂梁，5-膜桥，6-电容检测第一端口，7-电容检测第二端口，8- GaAs衬底。
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：
如图1所示，当待测微波功率较小时，由于静电力较小，只有较长的MEMS悬臂梁臂下拉；当待测微波功率较大时，由于静电力较大，可以使较短的MEMS悬臂梁臂下拉。采用这种检测方式不但可以扩展检测微波功率的动态范围，而且当微波信号较大时，四个长度不同的MEMS悬臂梁同时下拉，从而提高了检测精度。
如图2所示, 一种基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统，包括GaAs衬底8，GaAs衬底上的中间设有共面波导CPW信号线1，CPW信号线的两侧分别设有CPW地线2，每根CPW地线旁各设有电容检测第一端口和电容检测第二端口，每根CPW地线上均设有2个桥墩，每个桥墩上分别设有一个MEMS悬臂梁4-1、4-2、4-3、4-4，这4个MEMS悬臂梁的长度是不同的，MEMS悬臂梁的下方（CPW信号线的旁边）设有传感电极3，传感电极与其同侧的电容检测第一端口6之间设有膜桥5，膜桥的下方设有连接线，传感电极通过连接线与其同侧的电容检测第一端口连接，CPW地线与其同侧的电容检测第二端口7连接，连接线上、MEMS悬臂梁下方的CPW信号线上、传感电极上均设有绝缘介质层。
所述绝缘介质层可以为氮化硅介质层。
微波功率在通过CPW信号线时，会产生静电力，从而将四个长度不同的MEMS悬臂梁下拉，引起MEMS悬臂梁与传感电极之间电容发生变化，电容的变化量与信号功率幅度是一一对应的，从而检测出信号功率的幅值。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统，其特征在于，包括衬底，衬底上设有共面波导CPW信号线，CPW信号线的两侧分别设有CPW地线，每根CPW地线旁各设有电容检测第一端口和电容检测第二端口，每根CPW地线上均设有2个桥墩，每个桥墩上分别设有一个MEMS悬臂梁，这4个MEMS悬臂梁的长度是不同的，MEMS悬臂梁的下方设有传感电极，传感电极与其同侧的电容检测第一端口之间设有膜桥，膜桥的下方设有连接线，传感电极通过连接线与其同侧的电容检测第一端口连接，CPW地线与其同侧的电容检测第二端口连接，连接线上、MEMS悬臂梁下方的CPW信号线上、传感电极上均设有绝缘介质层。
2.根据权利要求1所述的一种基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统，其特征在于，所述衬底为GaAs衬底。
3.根据权利要求2所述的一种基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统，其特征在于，CPW信号线设在GaAs衬底上的中间。
4.根据权利要求1所述的一种基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统，其特征在于，所述绝缘介质层为氮化硅介质层。
5.基于权利要求1所述的一种基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统的检测方法，其特征在于，微波功率在通过CPW信号线时，会产生静电力，从而将四个长度不同的MEMS悬臂梁下拉，引起MEMS悬臂梁与传感电极之间电容发生变化，电容的变化量与信号功率幅度是一一对应的，从而检测出信号功率的幅值。
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