CN108362936A - 基于固支梁的d31的压电式微波功率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于固支梁的d31的压电式微波功率传感器，传感器包括高阻硅衬底，在高阻硅衬底上设有共面波导传输线和固支梁，共面波导传输线是包括中心信号线和地线，地线设置在中心信号线的两侧，固支梁两端利用桥墩固定在信中心信号线和地线之间，固支梁正下方嵌入一质量块，固支梁的上方有四块压电材料层，四块压电材料层与固支梁之间填充着介质层，当微波功率在共面波导传输时，固支梁受到静电力下拉，压电材料层随之产生形变，根据压电效应，压电材料层上电荷的分布发生变化，产生与微波功率一一对应的电压，通过检测电压进行微波功率的检测。本发明的微波功率传感器结构新颖、易于集成，且灵敏度较高。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械系统技术领域，具体涉及一种基于固支梁的d31的压电式微波功率传感。
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固支梁结构的电容式微波功率传感器，如MEMS固支梁式在线微波功率传感器及其制备方法专利号：201010223810.5，基于固支梁和直接式功率传感器的微波检测系统及其检测方法（专利号：201310027303.8）。当微波信号经过共面波导传输时，在共面波导和固支梁之间产生静电力，使固支梁下拉，测试电极与固支梁之间电容值发生变化，通过电容检测电路测出电容，其值是与信号功率幅度是一一对应的，从而检测出信号功率的幅度。然而，电容式微波功率传感器的输出有非线性，其寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，联接电路较复杂等。
发明内容
为了解决上述问题本发明提供了一种基于固支梁的d31的压电式微波功率传感器。该微波功率传感器利用压电效应产生与微波功率一一对应的电信号，从而进行测量，具有可观的电输出性能、较高的稳定性，高良品率等特点。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明是一种基于固支梁的d31的压电式微波功率传感器，传感器包括高阻硅衬底，在高阻硅衬底上设有共面波导传输线和固支梁，共面波导传输线是包括中心信号线和地线，地线设置在中心信号线的两侧，固支梁两端利用桥墩固定在信中心信号线和地线之间，固支梁正下方嵌入一质量块，固支梁的上方有四块压电材料层，四块压电材料层与固支梁之间填充着介质层，当微波功率在共面波导传输时，固支梁受到静电力下拉，压电材料层随之产生形变，根据压电效应，压电材料层上电荷的分布发生变化，产生与微波功率一一对应的电压，通过检测电压进行微波功率的检测。
本发明的进一步改进在于：压电材料层包括压电材料层P1、压电材料层P2、压电材料层P3、压电材料层P4，所述压电材料层P1、压电材料层P2、压电材料层P3、压电材料层P4之间通过平板电极及其互联线串联起来。
本发明的进一步改进在于：压电材料层P1、压电材料层P2、压电材料层P3、压电材料层P4为ZnO、PZT-5系列或AlN制成的压电材料层。
本发明的进一步改进在于：介质层为ZrO2、SiO2、Si3N4或云母材料制成的介质层。
本发明的进一步改进在于：质量块为镍、钴、铝或铜制成的质量块。
本发明的进一步改进在于：压电材料层为ZnO、PZT-5系列或AlN制成的压电材料层。
本发明的进一步改进在于：所述平板电极为铂、金、铜、钛或铝制成的平板电极。
本发明的进一步改进在于：固支梁为铜、铝或钛制成的固支梁。
本发明的进一步改进在于：桥墩为多晶硅、铝、铜、钨或钛制成的桥墩。
本发明的有益效果是：（1）本发明采用固支梁结构，具有较高的稳定性，容易通过微细加工实现等优点；（2）本发明基于PZT薄膜d31模式的压电效应，利用压电效应实现固支梁位移——电信号的转换，实际测量参数以电信号直接输出，可以直接测量，降低了转换电路的复杂度；（3）本发明采用密度较大的金属块放置在固支梁正中间下方，增大了固支梁位移幅度，用以降低谐振频率，以实现低频环境中微波功率的检测。
此外，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，便于集成等，这一系列优点是传统的微波功率检测器无法比拟的，将压电材料应用于固支梁上，当微波功率从共面波导传输时，由于静电力使得固支梁下拉，并引起压电层形变，根据压电效应，压电层上电荷的分布发生变化，产生与微波功率一一对应的电信号，通过检测电信号进行微波功率的检测，
因此它具有很好的研究和应用价值。
本发明的微波功率传感器结构新颖、测量幅度范围大、易于集成，且灵敏度较高。
附图说明
图1是本发明的俯视图。
图2是本发明的剖面图。
图3是本发明固支梁的剖面图。
其中：1-中心信号线；2-地线；3固支梁；4-质量块；5-介质层；6平板电极及其互联线。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
如图1-3所示，本发明是一种基于固支梁的d31的压电式微波功率传感器，传感器相比于传统的传感器具有更高的输出电压，稳定性高，灵敏度高等优点，所述传感器包括高阻硅衬底，在所述高阻硅衬底上设有共面波导传输线和固支梁3，所述固支梁3为铜、铝或钛制成的固支梁，所述共面波导传输线是包括中心信号线1和地线2，所述地线2设置在所述中心信号线1的两侧，所述固支梁3两端利用桥墩固定在所述信中心信号线1和地线2之间，所述桥墩为多晶硅、铝、铜、钨或钛制成的桥墩，所述固支梁3正下方嵌入一质量块4，所述质量块4为镍、钴、铝或铜制成的质量块，金属质量块用于降低谐振频率，增大固支梁位移，所述固支梁3的上方有四块压电材料层，所述压电材料层工作在d31模式下，用于在外力作用下产生正压电效应，四块所述压电材料层与所述固支梁3之间填充着介质层5，所述介质层5为ZrO2、SiO2、Si3N4或云母材料制成的介质层，用于隔离金属固支梁与压电材料层，当微波功率在共面波导传输时，固支梁3受到静电力下拉，压电材料层随之产生形变，根据压电效应，压电材料层上电荷的分布发生变化，产生与微波功率一一对应的电压，通过检测电压进行微波功率的检测，所述压电材料层包括压电材料层P1、压电材料层P2、压电材料层P3、压电材料层P4，所述压电材料层P1、压电材料层P2、压电材料层P3、压电材料层P4之间通过平板电极及其互联线 6串联起来，也就是说P4与P3的下极板直接相连，P3和P2的上极板直接相连，P2和P1的下极板直接相连，所述压电材料层P1、压电材料层P2、压电材料层P3、压电材料层P4为ZnO、PZT-5系列或AlN制成的压电材料层，所述平板电极为铂、金、铜、钛或铝制成的平板电极，平板电极用于收集正压电效应产生的电荷，也就是说固支梁的上方先附着一层介质层，介质层上方为4块压电材料层，利用电极及其电极互联线将4块压电材料串联起来，平板电极用于接收压电效应产生的电荷，并使得电荷极化方向与固支梁所受应力方向相同，即压电材料工作在d31模式下，介质层作为绝缘层可以阻挡压电层产生的电荷泄露。
当微波信号在CPW上传输时，位于中心信号线上方的梁会产生静电力，从而使梁产生位移，梁的表面将产生应力变化，根据压电效应，压电材料产生电荷流动，固支梁上方的平板电极将之间将产生电压，该电压与微波功率一一对应，因此通过测量电压即可得到微波信号的功率。
本发明的压电材料采用d31方式极化，即平板电极用于接收压电效应产生的电荷，并使得电荷极化方向与固支梁所受应力方向相同。
本发明需要在工作是产生足够大的机械应力和应变转换为电能，因此，通过固支梁正下方加载一定重量的镍质量块，进一步提高输出电压的值从而进一步提升检测精度。
本发明在压电材料层和金属梁结构之间利用绝缘材料作为介质层，可以阻挡压电层产生的电荷泄露。
Claims (9)
1.一种基于固支梁的d31的压电式微波功率传感器，其特征在于：所述传感器包括高阻硅衬底，在所述高阻硅衬底上设有共面波导传输线和固支梁（3），所述共面波导传输线是包括中心信号线（1）和地线（2），所述地线（2）设置在所述中心信号线（1）的两侧，所述固支梁（3）两端利用桥墩固定在所述信中心信号线（1）和地线（2）之间，所述固支梁（3）正下方嵌入一质量块（4），所述固支梁（3）的上方有四块压电材料层，四块所述压电材料层与所述固支梁（3）之间填充着介质层（5），当微波功率在共面波导传输时，固支梁（3）受到静电力下拉，压电材料层随之产生形变，根据压电效应，压电材料层上电荷的分布发生变化，产生与微波功率一一对应的电压，通过检测电压进行微波功率的检测。
2.根据权利要求1所述基于固支梁的d31的压电式微波功率传感器，其特征在于：所述压电材料层包括压电材料层P1、压电材料层P2、压电材料层P3、压电材料层P4，所述压电材料层P1、压电材料层P2、压电材料层P3、压电材料层P4之间通过平板电极及其互联线 （6）串联起来。
3.根据权利要求2所述基于固支梁的d31的压电式微波功率传感器，其特征在于：所述压电材料层P1、压电材料层P2、压电材料层P3、压电材料层P4为ZnO、PZT-5系列或AlN制成的压电材料层。
4.根据权利要求1所述基于固支梁的d31的压电式微波功率传感器，其特征在于：所述介质层（5）为ZrO2、SiO2、Si3N4或云母材料制成的介质层。
5.根据权利要求1所述基于固支梁的d31的压电式微波功率传感器，其特征在于：所述质量块（4）为镍、钴、铝或铜制成的质量块。
6.根据权利要求1所述基于固支梁的d31的压电式微波功率传感器，其特征在于：所述压电材料层为ZnO、PZT-5系列或AlN制成的压电材料层。
7.根据权利要求1所述基于固支梁的d31的压电式微波功率传感器，其特征在于：所述平板电极为铂、金、铜、钛或铝制成的平板电极。
8.根据权利要求1所述基于固支梁的d31的压电式微波功率传感器，其特征在于：所述固支梁（3）为铜、铝或钛制成的固支梁。
9.根据权利要求1所述基于固支梁的d31的压电式微波功率传感器，其特征在于：所述桥墩为多晶硅、铝、铜、钨或钛制成的桥墩。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180803 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |