CN109917182A

CN109917182A - 基于石墨烯压阻效应的微波功率传感器

Info

Publication number: CN109917182A
Application number: CN201910237564.XA
Authority: CN
Inventors: 李龙飞; 李方清; 王德波
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2019-06-21
Anticipated expiration: 2039-03-27
Also published as: CN109917182B

Abstract

本发明涉及基于石墨烯压阻效应的微波功率传感器，包括衬底、共面波导传输线、质量块、固支梁和石墨烯压阻块；衬底上中间设置共面波导传输线且衬底上两边设置地线，固支梁固定在地线上且共面波导传输线位于固支梁下方；质量块位于固支梁上方，石墨烯压阻块位于共面波导传输线和固支梁中间；石墨烯压阻块的一端通过第一传输线与电流输入端口相连，石墨烯压阻块的另一端通过第二传输线与电流输出端口相连。本发明的传感器利用石墨烯的压阻效应，不仅极大地提高了传感器的灵敏度，并且由于石墨烯零带隙的特殊结构，还能提高微波信号检测功率的精度和系统本身的稳定性，同时具有体积小、便于集成、结构简单等诸多优点。

Description

基于石墨烯压阻效应的微波功率传感器

技术领域

本发明属于微波功率传感器技术领域，具体涉及基于石墨烯压阻效应的微波功率传感器。

背景技术

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，最常见的是表面水平的固支梁结构的微波功率传感器，当微波信号进入时会产生静电力使固支梁弯曲，从而导致电容发生变化，最终得到微波功率。但是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影响较大，并且现有传感器结构设计中固支梁结构不够稳定，抗过载能力差，且灵敏度不够高。现有功率传感器也有利用固支梁和压电材料配合，通过测试电压变化检测微波功率，但是现由于功率传感器中所用的压电材料感应灵敏度不够高，且在较大应力下稳定性较差，极大地限制了传感器的灵敏度和稳定性。

中国专利CN108594007A(专利申请号：CN201810420335.7)公开了一种基于固支梁压阻效应的微波功率传感器，包括高阻硅衬底，在高阻硅衬底上设置有共面波导传输线、固支梁，共面波导传输线包括CPW信号线和CPW地线，在CPW地线与CPW信号线之间还分别设置有固支梁桥墩，固支梁的两端分别通过固支梁桥墩固定在CPW信号线的上方，固支梁的两端通过固支梁桥墩与高阻硅衬底相连，在CPW信号线的正上方、固支梁的上表面设置有金属质量块，固支梁的上下表面均设置有扩散电阻，微波功率传感器工作时固支梁形变导致固支梁表面应力变化，扩散电阻的值产生变化，通过惠更斯电桥法测量节点之间电压变化即可直接测量微波功率值。该专利的微波功率传感器就是利用固支梁和压电材料配合，通过测试电压检测微波功率，但是因为用的扩散电阻由于压阻效应与石墨烯相比存在着灵敏度低、测量范围小、稳定性差等问题，导致其本身性能不够完善。

中国专利CN1885047B(专利申请号：200610085330.0)公开了压阻式微波功率传感器是利用终端电阻吸收微波功率发热产生薄膜应力，以压敏电阻的方式测得输入微波功率的结构，该传感器以Si衬底(1)为衬底，Si₃N₄/SiO₂层设在Si衬底的底部，在Si衬底上设有SiO₂绝缘层，SiO₂绝缘层与腐蚀Si衬底上的硅膜构成双层膜结构，在双层膜结构上设有共面波导，在共面波导的终端设有匹配电阻，在双层膜结构的边缘设有四个沿<110>方向的压敏电阻，压敏电阻通过接触金属由金属导线构成惠斯登电桥，惠斯登电桥的四个引线端分别与压焊块相接。该结构由放置在双层膜的边缘的压敏电阻测量膜的应力变化，得到输入微波功率的大小。该专利中传感器也利用了压敏电阻，但是首先通过终端电阻吸收微波功率发热产生薄膜应力，这样会消耗掉微波功率，属于终端式功率传感器，微波信号不能被后续利用。

发明内容

本发明目的是针对上述现状，旨在至少解决现有技术问题之一，提供基于石墨烯压阻效应的微波功率传感器及测试微波功率的方法，克服了现有微波功率传感器存在的稳定性差、灵敏度低和测量范围小等问题。

本发明的实现方式为：基于石墨烯压阻效应的微波功率传感器，包括衬底、共面波导传输线、质量块、固支梁和石墨烯压阻块；衬底上中间设置共面波导传输线且衬底上两边设置地线，固支梁固定在地线上且共面波导传输线位于固支梁下方；质量块位于固支梁上方，石墨烯压阻块位于共面波导传输线和固支梁中间；石墨烯压阻块的一端通过第一传输线与电流输入端口相连，石墨烯压阻块的另一端通过第二传输线与电流输出端口相连。

本发明的微波功率传感器中利用石墨烯压阻块的压阻效应进行微波功率测试，石墨烯压阻块对形变有较好的响应特性，可以提高系统的灵敏度；由于石墨烯独特的零带隙结构，导致其结构比较稳定，可以稳定重复工作，可以在最大应力范围内稳定工作150个周期，提高了系统的可靠性。并且利用石墨烯压阻块检测微波信号，属于在线式，相比较于传统的终端热电式微波功率传感器，不会完全消耗掉微波信号，可以被后续过程继续利用等优点。

本发明中固支梁下方由石墨烯压阻块支撑，分担了固支梁一部分应力，相比较于传统的电容式微波功率传感器，梁的结构更加的稳定，从而使传感器具有极高的结构稳定性，极大地扩大了传感器的功率测量范围。且固支梁由石墨烯压阻块支撑，可以加工成更长的尺寸，因而可以极大地提高系统的灵敏度和稳定性。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。

优选地，所述电流输入端口和电流输出端口用于与电压源连接并构成回路，通过测量电流的变化量计算共面波导传输线上传输的微波功率的大小。通过电流测试的方法相比较于其他方法，在观察结果的时候更加直观，并且电流与石墨烯阻值变化有着良好的线性关系，通过测量电流的变化量即可得到共面波导传输线上传输的微波功率的大小。

优选地，所述质量块为铜、铝、钛或铝制成的质量块。采用密度较大的金属块，增加了固支梁位移幅度，用以降低谐振频率，以实现地贫环境中微波高功率的检测。

优选地，所述固支梁为弱掺杂单晶硅或单晶锗制成的固支梁。该结构具有较高的稳定性，容易通过微细加工实现等优点。

优选地，所述衬底的材质为氮化镓，电子迁移率高，适合用于高频传感器。

优选地，所述微波功率传感器采用MEMS平面加工方法制得。

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。

本发明还公开了使用上述基于石墨烯压阻效应的微波功率传感器进行测试微波功率的方法：将电流输入端口和电流输出端口与电压源连接并构成回路，当微波信号通过共面波导传输线传输到固支梁下方时，对固支梁产生向下的静电力，进而会对石墨烯压阻块施加垂直应力，使得石墨烯薄膜阻值发生变化导致回路电流发生改变，不同的微波功率一一对应不同的电流变化量，通过测量电流的变化量即可计算得出微波功率。

综上所述，本发明的微波功率传感器，具有以下优点：

(1)本发明巧妙的设计了一种结构简单的传感器，并采用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)本发明利用石墨烯压阻块检测微波信号，属于在线式，相比较于传统的终端热电式微波功率传感器，不会完全消耗掉微波信号，可以被后续过程继续利用等优点。

(3)本发明利用石墨烯压阻块支撑固支梁的结构检测微波信号，相比较于传统的电容式微波功率传感器，梁的结构更加的稳定，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。

(4)本发明利用石墨烯压阻块检测微波信号，利用石墨烯的压阻效应极大地提高了微波功率传感器的灵敏度；并且石墨烯由于其独特的零带隙结构，可以在最大应力范围内稳定工作150个周期，极大地提高了本系统的稳定性等优点。

附图说明

图1是实施例1的基于石墨烯压阻效应的微波功率传感器的俯视结构示意图；

图2是实施例1的基于石墨烯压阻效应的微波功率传感器的主视结构示意图；

图中：1、共面波导传输线；2、地线；3、固支梁；4、质量块；5、电流输入端口；6、电流输出端口；7、第一传输线；8、第二传输线；9、石墨烯压阻块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体附图仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他技术方案，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、

“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、

“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

如图1-2所示，本实施例基于石墨烯压阻效应的微波功率传感器，由衬底、共面波导传输线1、地线2、固支梁3、质量块4、电流输入端口5、电流输出端口6、第一传输线7、第二传输线8和石墨烯压阻块9组成；衬底上中间设置共面波导传输线1且衬底上两边设置地线2，固支梁3固定在地线2上且共面波导传输线1位于固支梁3下方；质量块4位于固支梁3上方，石墨烯压阻块9位于共面波导传输线1和固支梁3中间；石墨烯压阻块9的一端通过第一传输线7与电流输入端口5相连，石墨烯压阻块9的另一端通过第二传输线8与电流输出端口6相连。所述衬底的材质为氮化镓。所述微波功率传感器采用MEMS平面加工方法制得。

基于石墨烯压阻效应的微波功率传感器进行测试微波功率的方法如下：将电流输入端口和电流输出端口与电压源连接并构成回路，当微波信号通过共面波导传输线传输到固支梁下方时，对固支梁产生向下的静电力，进而会对石墨烯压阻块施加垂直应力，使得石墨烯薄膜阻值发生变化导致回路电流发生改变，不同的微波功率一一对应不同的电流变化量，通过测量电流的变化量即可得出微波功率的大小。

和传统的梁结构相比，此固支梁由于石墨烯压阻块的支撑，可以加工的尺寸更长，且通过仿真软件可得石墨烯压阻块可以重复稳定工作3500次，因而可以极大地提高系统的灵敏度和稳定性。

基于石墨烯压阻效应的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，将石墨烯压阻块作为固支梁的支撑结构以吸收应力和提高灵敏度，提高了整个系统的稳定性和可靠性。

该传感器由于将石墨烯压阻块置于固支梁下方用以支撑，具有很高的稳定性，可以测量较高功率的微波信号(可以达到50W)，具有良好的抗过载性；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。

本实施例的基于石墨烯压阻效应的微波功率传感器采用MEMS平面加工工艺，具有体积小、集成度高和灵敏度高等优点。此外利用石墨烯压阻块支撑固支梁，不仅可以极大地提高待测微波信号的功率范围，具有良好的抗过载性，对检测系统具有保护作用；而且利用石墨烯压阻块的压阻效应，极大地提高检测信号的精度和系统本身的灵敏度。综上所述，本实施例的基于石墨烯压阻效应的微波功率传感器具有精度高、测量范围大、灵敏度高以及稳定性高等优点。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.基于石墨烯压阻效应的微波功率传感器，其特征在于，包括衬底、共面波导传输线、质量块、固支梁和石墨烯压阻块；衬底上中间设置共面波导传输线且衬底上两边设置地线，固支梁固定在地线上且共面波导传输线位于固支梁下方；质量块位于固支梁上方，石墨烯压阻块位于共面波导传输线和固支梁中间；石墨烯压阻块的一端通过第一传输线与电流输入端口相连，石墨烯压阻块的另一端通过第二传输线与电流输出端口相连。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯压阻效应的微波功率传感器，其特征在于，所述电流输入端口和电流输出端口用于与电压源连接并构成回路，通过测量电流的变化量计算共面波导传输线上传输的微波功率的大小。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯压阻效应的微波功率传感器，其特征在于，所述质量块由铜、镍或铝制成的金属质量块。

4.根据权利要求1所述的基于石墨烯压阻效应的微波功率传感器，其特征在于，所述固支梁为弱掺杂的单晶硅或单晶锗制成的固支梁。

5.根据权利要求1所述的基于石墨烯压阻效应的微波功率传感器，其特征在于，所述衬底的材质为氮化镓，电子迁移率高，适合做高频。

6.根据权利要求1所述的基于石墨烯压阻效应的微波功率传感器，其特征在于，所述微波功率传感器采用MEMS平面加工方法制得。