CN1128366C - 微桥结构热偶型微波功率传感器 - Google Patents
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Abstract
一种微桥结构热偶型微波功率传感器，包括第一金引线(21)经Ta2N电阻(24)到第二金引线(22)组成微波吸热通路，第三金引线(23)通过冷结点(28)及硅框架到热结点(27)再经部分Ta2N电阻和第二金引线(22)形成热电偶通路，在第一金线(21)和第二金线(22)之间的薄膜有一桥形热流通路。本发明进一步减小热传导损耗及热偶的热容量，提高传感器灵敏度及响应特性，减小失配误差，改善传感器驻波比。
Description
技术领域
本发明涉及微波功率测量技术领域，特别是半导体微波功率测量。
背景技术
功率测量在电磁测量中占有举足轻重的地位，其中传感元件有热敏电阻、热变电阻、薄膜电阻、二极管、热电薄膜、霍尔效应等多种。传感器仍停留在热敏电阻、热电薄膜等几个方面，可靠性差、精度低、频带窄。半导体热偶型微波功率传感器具有灵敏度高、检测频带宽、精度高、响应快、可靠性好、易于批量生产等特点，已广泛应用于国外进口的功率计中，如HP公司的435A/8481A热偶功率计系统。其原理如图1(a、b)。P型硅8衬底上选择性扩散N+硅4，其上生长SiO2及Si3N4作绝缘保护层7，再沉积Ta2N电阻薄膜2及金引线1和6，做成热电偶。N+硅4的一端与Ta2N 2接触，是热偶的热结点3，另一端与金引线6接触，是热偶的冷结点。热偶电阻由N+硅电阻和Ta2N电阻两部分组成，以Ta2N电阻为主。微波功率耗散在热偶电阻上，产生热量，使热结温度高于冷结，由Seebeck效应在热偶上产生热电势，该热电势与吸收的微波功率成正比。通过检测热电势值来测量微波功率。对于传统的热偶结构如图1所示，为了与微波输入阻抗匹配，限定热偶总电阻是100Ω，硅的掺杂就不能太少，否则硅电阻会增大，而硅的电阻温度系数较大，在大功率情况下，其电阻的变化会影响总的热偶电阻，导致阻抗失配。因此该结构灵敏度不很高，一般两个热偶总灵敏度在300μV/mW左右。
发明内容
本发明的目的是提出一种高灵敏度的微桥结构热偶型微波功率传感器。
本发明的主要特点是包括第一金引线21经Ta2N电阻24到第二金引线22组成微波吸热通路，第三金引线23通过冷结点28及硅框架到热结点27再经部分Ta2N电阻和第二金引线22形成热电偶通路，其特征在于在第一金线21和第二金线22之间的薄膜有一桥形热流通路。
本发明对已有的热偶型微波功率传感器作了较大改进，提出新的微桥结构，进一步减小热传导损耗及热偶的热容量，提高传感器灵敏度及响应特性，减小失配误差，改善传感器驻波比。
附图说明
图1是传统半导体热偶型微波功率传感器热偶芯片结构示意图。(1a)是芯片正面示意图，由两个热电偶组成，(1b)是其中一个热电偶的横截面示意图。
1、6是金梁式引线，2是Ta2N电阻，3是热结点，4是N+Si，5是冷结点，7是绝缘层，8是P型硅框架。
图2是新型微桥结构热偶型微波功率传感器芯片结构示意图，只有一个热电偶，2a是正面示意图，2b是横截面示意图。
21、22、23是金梁式引线，24是Ta2N电阻，25是绝缘层，26是硅框架，27是热结点，28是冷结点。
具体实施方式
微结构热偶型微波功率传感器选用热电系数较大的半导体单晶硅作为热电偶材料，电阻温度系数极小的氮化钽Ta2N作为微波吸收材料。微波功率通过7mm同轴电缆及宝石基底上的共面波导，加热氮化钽电阻，使氮化钽电阻底下的硅(热结点)温度升高，在硅冷热结点间产生温度差，从而产生热电势。检测此热电势即实现微波功率测量。如图2所示，金引线21经Ta2N电阻24到金引线22组成微波吸热通路，其阻值由桥中心的Ta2N电阻24组成。金引线23通过冷结点28及硅框架到热结点27再经部分Ta2N电阻和金引线22形成热电偶通路。Ta2N电阻吸收微波功率，使热结点温度升高，在热电偶冷热结点之间产生温差，进而产生热电势，从热电偶通路的两端22和23之间输出正比于输入微波功率的直流电压。将传统热偶结构的方型薄膜去掉两个Z型区域29形成Z型硅桥。电偶限制在微Z型硅桥上，加长热流通路，增加热阻，减小热传导损耗及热偶的热容量。控制桥的厚度，即可控制热偶的热导及热容，对灵敏度及响应时间进行折衷。微波吸热电阻与检测热偶电阻分离，微波吸热电阻完全由具有低电阻温度系数的Ta2N电阻组成，保证微波吸热电阻在较大功率范围内与微波输入匹配，改善传感器驻波比。可灵活选择热偶电阻，调整灵敏度。Ta2N电阻仅限于微桥中心局部桥长区域，使热量更加集中到中心区域。热结点位于Ta2N电阻正下方与硅直接接触之处，增加转换效率缩短相应时间。
Claims (4)
1.一种微桥结构热偶型微波功率传感器，包括第一金引线(21)经Ta2N电阻(24)到第二金引线(22)组成微波吸热通路，第三金引线(23)通过冷结点(28)及硅框架到热结点(27)再经部分Ta2N电阻和第二金引线(22)形成热电偶通路，其特征在于在第一金线(21)和第二金线(22)之间的薄膜有一桥形热流通路。
2.按权利要求1所述的微波功率传感器，其特征在于所述的热流通路是Z型。
3.按权利要求1或2所述的微波功率传感器，其特征在于Ta2N电阻仅限于微桥中心纵向桥长部分区域。
4.按权利要求3所述的微波功率传感器，其特征在于热结点位于Ta2N电阻正下方与硅直接接触之处。
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