CN109709386B - 三通道微波功率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出三通道微波功率传感器，采用MEMS平面加工工艺，具有体积小，集成度高等优点。三通道包括电阻式、电容式和热电式，利用电阻式传感器，可以极大地提高待测微波信号的功率范围，在微波信号较弱的时候通过热电式传感器，在微波信号较强的时候通过电容式传感器，在微波信号很强的时候通过电阻式传感器，通过对微波信号进行分通道测量可以提高检测信号的精度。综上所述，本三通道微波功率传感器具有精度高、测量范围大、灵敏度高等优点。
Description
技术领域
本发明属于MEMS微机械传感器领域，具体涉及三通道微波功率传感器。
背景技术
基于微机电系统（MEMS）的微波技术的发展已经成为一个国家科技水平发展的重要标志。在微波的信号产生、传输及接受等各个环节的研究中，微波功率的测量是必不可少的基本测试技术。目前，最为常用的微波功率检测工具是基于热电效应的热电式微波功率传感器。但是，传统的热电式MEMS微波功率传感器具有测量微波信号幅度小、精度不够等缺点。近年来，随着敏感元件的不断发展，使得三通道微波功率传感器成为可能。
发明内容
本发明针对现有热电式微波功率传感存在的测量范围不够、精度低等问题，提出了三通道微波功率传感器。
三通道微波功率传感器，包括衬底、共面波导传输线、地线、电容极板、敏感元件、悬臂梁、负载电阻和热电堆；
所述共面波导传输线设置在衬底上，其两侧设有地线，其中一侧的地线连接有地线输出端；
所述共面波导传输线的末端与其中一侧的地线之间连接负载电阻，所述负载电阻的另一侧设有热电堆，所述热点堆的两端分别与直流输出端相连；
所述敏感元件嵌入衬底中位于共面波导传输线的下面，所述敏感元件上设有探头，其穿过共面波导传输线使得敏感元件与外界相连；
所述敏感元件下方还有一个矩形的金属薄膜嵌入在衬底中与共面波导传输线相平行；
所述悬臂梁设置在共面波导传输线的上方，在悬臂梁的下面设置电容极板，所述电容极板具体位于悬臂梁底座和共面波导传输线之间，并连接有电容信号输出端。
进一步地，所述衬底的材质为砷化镓。
进一步地，所述电容极板安置于悬臂梁的下方，位于共面波导传输线的一侧，当微波信号进入时，会产生静电力使悬臂梁弯曲，从而导致悬臂梁与下方电容极板的距离发生变化，最终使得电容发生变化，通过测量电容信号输出端和地线输出端之间电容的改变量即可算出微波功率。
进一步地，当微波信号进入共面波导传输线的时候，会加热硅制敏感元件内部的电子，电子的热运动状态发生变化时会引起材料本身的阻值发生变化，通过探头测量阻值的变化量即可得到微波功率。
进一步地，所述负载电阻传输共面波导传输线馈送的微波功率并把微波功率转化成热量，从而使热电堆两端产生温差，由于Seebeck效应，即可通过测量热电堆在直流输出端产生直流电压差从而探测微波功率。
有益效果：
1.本发明由于采用MEMS工艺进行加工，因此相比于传统的微波功率传感器传感器具有体积小，集成度高等优点。
2.本发明利用三通道进行微波信号的功率检测，对不同功率的信号进行分档测量，可以提高每一功率范围内的测量精度，同时具有灵敏度高等优点。
3.本发明利用敏感元件去检测微波信号，待测功率信号的允许动态范围很大且输出信号大、易检测，具有抗过载能力强，动态范围大等优点。
附图说明
图1为本发明的微波功率传感器的俯视图。
图2为本发明的微波功率传感器的悬臂梁部分的剖面图。
图3为本发明的微波功率传感器的敏感元件部分的剖面图。
其中，1-共面波导传输线、2-悬臂梁、3-负载电阻、4-热电堆、5-地线、6-地线输出端、7-直流输出端、8-直流输出端、9-电容信号输出端、10-敏感元件、11-金属薄膜、12-探头、13-电容极板。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
三通道微波功率传感器，包括衬底、共面波导传输线1、地线5、电容极板13、敏感元件10、悬臂梁2、负载电阻3和热电堆4，其特征在于：
所述共面波导传输线1设置在衬底上，其两侧设有地线5，其中一侧的地线5连接有地线输出端6。
所述共面波导传输线1的末端与其中一侧的地线5之间连接负载电阻3，所述负载电阻3的另一侧设有热电堆4，所述热点堆4的两端分别与直流输出端7和8相连。
所述敏感元件10嵌入衬底中位于共面波导传输线1的下面，所述敏感元件上设有探头12，其穿过共面波导传输1线使得敏感元件10与外界相连。
所述敏感元件10下方还有一个矩形的金属薄膜11嵌入在衬底中与共面波导传输线1相平行。
所述悬臂梁2设置在共面波导传输线1的上方，在悬臂梁2的下面设置电容极板13，所述电容极板13具体位于悬臂梁2底座和共面波导传输线1之间，并连接有电容信号输出端9。
所述衬底的材质为砷化镓。
所述电容极板13安置于悬臂梁2的下方，位于共面波导传输线1的一侧，当微波信号进入时，会产生静电力使悬臂梁2弯曲，从而导致悬臂梁2与下方电容极板13的距离发生变化，最终使得电容发生变化，通过测量电容信号输出端9和地线输出端6之间电容的改变量即可算出微波功率。
电容式微波功率传感器的特点是：输入匹配较好、传输损耗较低，且与CMOS工艺兼容。可以对共面波导进行阻抗匹配设计以提高微波特性，将悬臂梁2的底座设计成弯曲形状的支撑结构以吸收应力和提高灵敏度，并将底座放置在地线5的外侧以去除寄生电容的影响，提供更加准确的电容测量。
当微波信号进入共面波导传输线1的时候，会加热硅制敏感元件10内部的电子，电子的热运动状态发生变化时会引起材料本身的阻值发生变化，通过探头11测量阻值的变化量即可得到微波功率。
该种电阻传感器可以测量较高功率的微波信号（可以达到100KW），具有抗过载性；并提供一个较高的输出信号，且通过实验证明具有长期稳定性；在X波段灵敏度的变化范围比较稳定。
所述负载电阻3传输共面波导传输线1馈送的微波功率并把微波功率转化成热量，从而使热电堆4两端产生温差，由于Seebeck效应，即可通过测量热电堆在直流输出端7和8产生直流电压差从而探测微波功率。
综上，该三通道微波功率传感器采用MEMS平面加工工艺，具有体积小，集成度高等优点。此外利用电阻式传感器，可以极大地提高待测微波信号的功率范围，在微波信号较弱的时候通过热电式传感器，在微波信号较强的时候通过电容式传感器，在微波信号很强的时候通过电阻式传感器，通过对微波信号进行分通道测量可以提高检测信号的精度。综上所述，本三通道微波功率传感器具有精度高、测量范围大、灵敏度高等优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (5)
1.三通道微波功率传感器，包括衬底、共面波导传输线、地线、电容极板、敏感元件、悬臂梁、负载电阻和热电堆，其特征在于：
所述共面波导传输线设置在衬底上，其两侧设有地线，其中一侧的地线连接有地线输出端；
所述共面波导传输线的末端与其中一侧的地线之间连接负载电阻，所述负载电阻的另一侧设有热电堆，所述热电堆的两端分别与直流输出端相连；
所述敏感元件嵌入衬底中位于共面波导传输线的下面，所述敏感元件上设有探头，其穿过共面波导传输线使得敏感元件与外界相连；
所述敏感元件下方还有一个矩形的金属薄膜嵌入在衬底中与共面波导传输线相平行；
所述悬臂梁设置在共面波导传输线的上方，在悬臂梁的下面设置电容极板，所述电容极板具体位于悬臂梁底座和共面波导传输线之间，并连接有电容信号输出端。
2.根据权利要求1所述的三通道微波功率传感器，其特征在于：所述衬底的材质为砷化镓。
3.根据权利要求1所述的三通道微波功率传感器，其特征在于：所述电容极板安置于悬臂梁的下方，位于共面波导传输线的一侧，当微波信号进入时，会产生静电力使悬臂梁弯曲，从而导致悬臂梁与下方电容极板的距离发生变化，最终使得电容发生变化，通过测量电容信号输出端和地线输出端之间电容的改变量即可算出微波功率。
4.根据权利要求1所述的三通道微波功率传感器，其特征在于：当微波信号进入共面波导传输线的时候，会加热硅制敏感元件内部的电子，电子的热运动状态发生变化时会引起材料本身的阻值发生变化，通过探头测量阻值的变化量即可得到微波功率。
5.根据权利要求1所述的三通道微波功率传感器，其特征在于：所述负载电阻传输共面波导传输线馈送的微波功率并把微波功率转化成热量，从而使热电堆两端产生温差，由于Seebeck效应，即可通过测量热电堆在直流输出端产生直流电压差从而探测微波功率。
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