CN113625046A - 基于mems微悬臂梁和石墨烯cpw传输线的高功率自动保护电路 - Google Patents

基于mems微悬臂梁和石墨烯cpw传输线的高功率自动保护电路 Download PDF

Info

Publication number
CN113625046A
CN113625046A CN202110746247.8A CN202110746247A CN113625046A CN 113625046 A CN113625046 A CN 113625046A CN 202110746247 A CN202110746247 A CN 202110746247A CN 113625046 A CN113625046 A CN 113625046A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cantilever
graphene
mems micro
transmission line
line
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110746247.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113625046B (zh
Inventor
韩居正
陈如山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Science and Technology filed Critical Nanjing University of Science and Technology
Priority to CN202110746247.8A priority Critical patent/CN113625046B/zh
Publication of CN113625046A publication Critical patent/CN113625046A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113625046B publication Critical patent/CN113625046B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R21/00—Arrangements for measuring electric power or power factor
    • G01R21/02—Arrangements for measuring electric power or power factor by thermal methods, e.g. calorimetric

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS微悬臂梁和石墨烯CPW传输线的高功率自动保护电路，石墨烯层设置在CPW中心信号线和地线之间，MEMS微悬臂梁耦合出传输线上的部分信号，并根据耦合功率的大小产生一个控制信号，控制信号加载到石墨烯层上，根据石墨烯的电调特性，控制信号可以改变石墨烯层的化学势及电导率，进而改变CPW传输线的传输特性。当输入功率小于安全阈值时，石墨烯的化学势为零，电导率很小，信号能够正常传输，传输损耗较小；当输入功率超出安全阈值时，控制信号增大，石墨烯化学势和电导率增大，进而改变CPW传输线的传输特性，输出信号被大幅度衰减，对后续电路起到自动保护作用。本发明的优点在于低功率状态传输损耗较小，高功率情况下不易击穿，可靠性高，且能根据输入功率的大小进行自适应防护等。

Description

基于MEMS微悬臂梁和石墨烯CPW传输线的高功率自动保护 电路
技术领域
本发明属于微电子领域，具体为一种基于MEMS微悬臂梁和石墨烯CPW传输线的高功率自动保护电路。
背景技术
微波发射机发射出的电磁脉冲能量会通过电子系统上的天线等接收设备进入系统，导致严重的干扰、扰乱甚至损坏，特别是通过天线耦合进入射频通道的电磁脉冲会破坏敏感器件。因此在接收天线后端设置高功率保护电路，对进入电子系统内部的电磁脉冲电压或电流进行抑制，保护电路中的敏感模块免遭损坏至关重要。目前用于高功率防护的主要方式是微波固态加固技术，即通过限制天线或传感器的耦合，降低入口有效面积，以及通过各种形式的滤波和级联限幅限制耦合能量传播到系统内部，减少入口和系统内部敏感组件间的耦合。这种微波固态加固技术存在插入损耗较大、高功率情况下易击穿，且无法根据输入功率的大小进行自适应防护等缺点。
发明内容
本发明提出了一种基于MEMS微悬臂梁和石墨烯CPW传输线的高功率自动保护电路。
实现本发明的技术解决方案为：一种基于MEMS微悬臂梁和石墨烯CPW传输线的高功率自动保护电路，包括CPW传输线、MEMS微悬臂梁、整流器、放大器，所述CPW传输线设置在衬底上，包括中心信号线以及位于中心信号线两侧的第一地线和第二地线，所述第一地线分为两段，且两段间通过空气桥连接，所述中心信号线和第一信号线之间设置有二氧化硅层，所述二氧化硅层通过二氧化硅延伸线延伸到空气桥下方，所述二氧化硅层上方设置有石墨烯层，所述二氧化硅延伸线上设置金属馈线，所述金属馈线一端与石墨烯层相连；所述MEMS微悬臂梁横跨中心信号线和第一地线上，所述MEMS微悬臂梁的一端通过锚区固定在衬底上，另一端悬空在中心信号线上方；所述整流器的输入端连接锚区，输出端连接放大器的输入端，所述放大器的输出控制电压通过金属馈线加载到石墨烯层上。
优选地，所述MEMS微悬臂梁悬空端下方的中心信号线上设置有Si3N4介质层。
优选地，中心信号线输入功率Pin的安全阈值设置为Psafe：
Figure BDA0003142852170000021
式中，Pmax是后端电路能够承受的最大功率，Ch是MEMS微悬臂梁的耦合系数，Tp是传输线的传输系数。
优选地，所述整流器的开启电压V0设置为：
Figure BDA0003142852170000022
式中，Pmax是后端电路能够承受的最大功率，Ch是MEMS微悬臂梁的耦合系数，Tp是传输线的传输系数，Z0是整流器的阻抗
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
本发明中MEMS微悬臂梁自动耦合出部分输入信号，根据输入功率的大小产生控制信号，调控石墨烯的化学式及传输线的传输系数，此过程是自适应的，能够对后续电路实现自动高功率防护功能；
本发明中MEMS微悬臂梁在低功率状态下隔离度较高，传输损耗较小，具有较好的微波特性；
本发明中MEMS微悬臂梁仅耦合出部分输入信号，电路不易击穿，可靠性高；
本发明中电路简单，操作方便，与GaAs单片微波集成电路工艺兼容。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为本发明的基于MEMS微悬臂梁和石墨烯CPW传输线的高功率自动保护电路结构俯视图。
图2为基于MEMS微悬臂梁和石墨烯CPW传输线的高功率自动保护电路A-A’向剖面侧视图。
图3为基于MEMS微悬臂梁和石墨烯CPW传输线的高功率自动保护电路B-B’向剖面侧视图。
图4为CPW传输线的传输系数随石墨烯化学势的变化曲线。
具体实施方式
如图1～3所示，一种基于MEMS微悬臂梁和石墨烯CPW传输线的高功率自动保护电路，包括CPW传输线，MEMS微悬臂梁10，整流器13、放大器14，所述CPW传输线设置在衬底1上，包括中心信号线2以及位于中心信号线2两侧的第一地线3和第二地线4，所述第一地线3分为两段，且两段间通过空气桥5连接；所述中心信号线2和第一信号线3之间的设置有二氧化硅层6，所述二氧化硅层6通过二氧化硅延伸线7延伸到空气桥5下方，所述二氧化硅层6上方设置有石墨烯层8，所述二氧化硅延伸线7上设置金属馈线9，所述金属馈线9一端连接石墨烯层8；所述MEMS微悬臂梁10横跨中心信号线2和第一地线3上，所述MEMS微悬臂梁10的一端通过锚区11固定在衬底1上，另一端悬空在中心信号线2上方，所述MEMS微悬臂梁10悬空端下方的中心信号线2上设置有Si3N4介质层12；所述整流器13的输入端连接锚区11，输出端连接放大器14的输入端；所述放大器14的输出端连接金属馈线，放大器14的输出控制电压通过金属馈线9施加在石墨烯层8上。
进一步的实施例中，所述衬底1的材料为GaAs，厚度为120μm，相对介电常数为12.94。
进一步的实施例中，所述中心信号线、第一地线与第二地线的材料均为Au，厚度均为2μm；所述中心信号线2宽度为58μm，中心信号线2与第一地线3和第二地线4之间的间距均为100μm，第一地线3、第二地线4的宽度均为200μm。
进一步的实施例中，所述MEMS微悬臂梁10宽度为180μm。
进一步的实施例中，所述锚区11高度为3.6μm。
进一步的实施例中，所述二氧化硅层6厚度为2μm。
进一步的实施例中，所述中心信号线2靠近MEMS微悬臂梁10的一端为信号输入端，所述中心信号线2的另一端为信号输出端。当中心信号线2输入信号时，MEMS微悬臂梁10将从中心信号线2上耦合出部分输入信号功率。耦合功率Pc与输入功率Pin之间的关系可用公式(1)表示：
Pc＝ChPin (1)
其中Ch为耦合系数。
中心信号线输出端输出的功率Pout可用公式(2)表示为：
Pout＝(1-Ch)PinTP (2)
其中TP为传输线的传输系数。
所述耦合功率在MEMS微悬臂梁10上产生电压信号Vc，所述整流器13用于将电压信号Vc转化为直流信号，放大器14用于将直流信号放大产生控制电压Vg，所述控制信号加载到石墨烯层8，根据石墨烯的电调特性，控制信号改变石墨烯层8的化学势及电导率，进而改变CPW传输线的传输特性。
石墨烯化学势μc与控制信号电压Vg之间的关系可通过公式(3)表示：
Figure BDA0003142852170000041
其中
Figure BDA0003142852170000045
约化普朗克常量，ε0是真空介电常数，εr是二氧化硅相对介电常数，ts是二氧化硅层厚度。
石墨烯电导率σ与化学势μc之间的关系可以通过公式(4)表示：
Figure BDA0003142852170000042
其中，τ是弛豫时间，T是温度，κB是摩尔兹曼常数，e是电子电量，。
进一步的实施例中，输入功率Pin的安全阈值设置为Psafe：
Figure BDA0003142852170000043
其中，Pmax是后端电路能够承受的最大功率，Ch是MEMS微悬臂梁的耦合系数，Tp是传输线的传输系数。
进一步的实施例中，整流器13的开启电压V0设置为：
Figure BDA0003142852170000044
其中，Z0是整流器的阻抗。
当输入功率小于设定的安全阈值Psafe时，MEMS微悬臂梁上的耦合电压信号Vc较小，低于整流器的开启电压，整流器处于关闭状态，控制电压Vg为零，控制信号不足以改变石墨烯的化学势及电导率，石墨烯的化学势为零，信号能够正常传输，传输损耗较小；当输入功率高于设定的安全阈值Psafe时，整流器处于开启状态，控制信号增大，石墨烯的化学势及电导率增大，中心信号线和第二地线之间产生通路，改变中心信号线的传输特性，传输系数TP减小，输出信号被大幅度衰减，对后续电路起到高功率自动保护作用。
实施例
在本实施例中，衬底材料为GaAs，厚度为120μm，相对介电常数为12.94，CPW传输线中心信号线宽度为58μm，信号线与第一地线和第二地线之间的间距均为100μm，第一地线和第二地线的宽度均为200μm，信号线和地线材料均为Au，厚度为2μm，CPW传输线特征阻抗为50Ω。MEMS为悬臂梁宽度为180μm，锚区高度为3.6μm，二氧化硅层厚度为2μm，二氧化硅相对介电常数为3.9，石墨烯为单层石墨烯结构，弛豫时间τ为0.05ps，初始状态的化学势为0eV。
如图4所示为不同石墨烯化学势(0eV，0.1eV，0.4eV，0.7eV)条件下CPW传输线的传输损耗随频率的变化曲线，可以看出，随着化学势的增大，传输损耗越来越大，即输出信号的衰减程度越来越大。
本发明结构新颖，小功率信号输入时传输损耗较小，高功率信号输入时不易击穿，可靠性高，且能够根据输入功率的大小自适应地衰减输出信号，对后端电路起到高功率自动防护作用。

Claims (9)

1.一种基于MEMS微悬臂梁和石墨烯CPW传输线的高功率自动保护电路，其特征在于，包括设置在衬底(1)上的CPW传输线，MEMS微悬臂梁(10)，整流器(13)、放大器(14)，所述CPW传输线包括中心信号线(2)以及位于中心信号线(2)两侧的第一地线(3)和第二地线(4)，所述第一地线(3)分为两段，且两段间通过空气桥(5)连接，所述中心信号线(2)和第一信号线(3)之间设置有二氧化硅层(6)，所述二氧化硅层(6)通过二氧化硅延伸线(7)延伸到空气桥(5)下方，所述二氧化硅层(6)上方设置有石墨烯层(8)，所述二氧化硅延伸线(7)上设置金属馈线(9)，所述金属馈线(9)一端与石墨烯层(8)相连；所述MEMS微悬臂梁(10)横跨于中心信号线(2)和第一地线(3)上，所述MEMS微悬臂梁(10)的一端通过锚区(11)固定在衬底(1)上，另一端悬空在中心信号线(2)上方，所述MEMS微悬臂梁(10)下方的中心信号线(2)上设置有Si3N4介质层(12)；所述整流器(13)的输入端连接锚区(11)，输出端连接放大器(14)的输入端，放大器(14)的输出端连接金属馈线(9)。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS微悬臂梁和石墨烯CPW传输线的高功率自动保护电路，其特征在于，所述衬底(1)的材料为GaAs，厚度为120μm，相对介电常数为12.94。
3.根据权利要求1所述的基于MEMS微悬臂梁和石墨烯CPW传输线的高功率自动保护电路，其特征在于，所述中心信号线(2)、第一地线(3)和第二地线(3)的材料均为Au，厚度均为2μm；所述中心信号线(2)宽度为58μm，中心信号线(2)与第一地线(3)和第二地线(4)之间的间距均为100μm，第一地线(3)、第二地线(4)的宽度均为200μm。
4.根据权利要求1所述的基于MEMS微悬臂梁和石墨烯CPW传输线的高功率自动保护电路，其特征在于，所述MEMS微悬臂梁(10)宽度为180μm。
5.根据权利要求1所述的基于MEMS微悬臂梁和石墨烯CPW传输线的高功率自动保护电路，其特征在于，所述锚区(11)高度为3.6μm。
6.根据权利要求1所述的基于MEMS微悬臂梁和石墨烯CPW传输线的高功率自动保护电路，其特征在于，所述二氧化硅层(6)的厚度为2μm。
7.根据权利要求1所述的基于MEMS微悬臂梁和石墨烯CPW传输线的高功率自动保护电路，其特征在于，所述中心信号线(2)靠近MEMS微悬臂梁(10)的一端为信号输入端，所述中心信号线(2)的另一端为信号输出端。
8.根据权利要求1所述的基于MEMS微悬臂梁和石墨烯CPW传输线的高功率自动保护电路，其特征在于，中心信号线输入功率Pin的安全阈值设置为Psafe：
Figure FDA0003142852160000021
式中，Pmax是后端电路能够承受的最大功率，Ch是MEMS微悬臂梁的耦合系数，Tp是传输线的传输系数。
9.根据权利要求1所述的基于MEMS微悬臂梁和石墨烯CPW传输线的高功率自动保护电路，其特征在于，所述整流器(13)的开启电压V0设置为：
Figure FDA0003142852160000022
式中，Pmax是后端电路能够承受的最大功率，Ch是MEMS微悬臂梁的耦合系数，Tp是传输线的传输系数，Z0是整流器的阻抗。
CN202110746247.8A 2021-07-01 2021-07-01 基于mems微悬臂梁和石墨烯cpw传输线的高功率自动保护电路 Active CN113625046B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110746247.8A CN113625046B (zh) 2021-07-01 2021-07-01 基于mems微悬臂梁和石墨烯cpw传输线的高功率自动保护电路

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110746247.8A CN113625046B (zh) 2021-07-01 2021-07-01 基于mems微悬臂梁和石墨烯cpw传输线的高功率自动保护电路

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113625046A true CN113625046A (zh) 2021-11-09
CN113625046B CN113625046B (zh) 2022-05-27

Family

ID=78378842

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110746247.8A Active CN113625046B (zh) 2021-07-01 2021-07-01 基于mems微悬臂梁和石墨烯cpw传输线的高功率自动保护电路

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113625046B (zh)

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9704114D0 (en) * 1996-02-29 1997-04-16 Hewlett Packard Co Protection arrangement for radio frequency instruments
US6104240A (en) * 1998-07-14 2000-08-15 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Microwave circuit and method of manufacturing microwave circuit
TW200409726A (en) * 2002-12-02 2004-06-16 Lenghways Technology Co Ltd Low driving voltage micro electro-mechanic microwave switch
CN101276705A (zh) * 2007-03-28 2008-10-01 中国科学院微电子研究所 一种双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关
CN101414701A (zh) * 2008-11-19 2009-04-22 东南大学 微电子机械悬臂梁式微波功率耦合器及其制备方法
CN102637935A (zh) * 2012-05-03 2012-08-15 东南大学 一种微波衰减器
CN103346786A (zh) * 2013-06-19 2013-10-09 东南大学 基于微机械悬臂梁电容式功率传感器的锁相环及制备方法
CN103746161A (zh) * 2014-01-08 2014-04-23 东南大学 基于mems结构的自保护微波均衡器
CN104868868A (zh) * 2015-04-28 2015-08-26 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种mems步进式数字衰减器
CN105845513A (zh) * 2016-04-22 2016-08-10 清华大学 基于石英基底共面波导的石墨烯射频机械开关
CN106199173A (zh) * 2016-07-19 2016-12-07 南京邮电大学 基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统及方法
CN107659281A (zh) * 2017-08-15 2018-02-02 东南大学 面向物联网的自检测的多余能量收集的悬臂梁恒幅器
CN110148824A (zh) * 2019-06-10 2019-08-20 东南大学 一种微波衰减器

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9704114D0 (en) * 1996-02-29 1997-04-16 Hewlett Packard Co Protection arrangement for radio frequency instruments
US6104240A (en) * 1998-07-14 2000-08-15 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Microwave circuit and method of manufacturing microwave circuit
TW200409726A (en) * 2002-12-02 2004-06-16 Lenghways Technology Co Ltd Low driving voltage micro electro-mechanic microwave switch
CN101276705A (zh) * 2007-03-28 2008-10-01 中国科学院微电子研究所 一种双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关
CN101414701A (zh) * 2008-11-19 2009-04-22 东南大学 微电子机械悬臂梁式微波功率耦合器及其制备方法
CN102637935A (zh) * 2012-05-03 2012-08-15 东南大学 一种微波衰减器
CN103346786A (zh) * 2013-06-19 2013-10-09 东南大学 基于微机械悬臂梁电容式功率传感器的锁相环及制备方法
CN103746161A (zh) * 2014-01-08 2014-04-23 东南大学 基于mems结构的自保护微波均衡器
CN104868868A (zh) * 2015-04-28 2015-08-26 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种mems步进式数字衰减器
CN105845513A (zh) * 2016-04-22 2016-08-10 清华大学 基于石英基底共面波导的石墨烯射频机械开关
CN106199173A (zh) * 2016-07-19 2016-12-07 南京邮电大学 基于悬臂梁级联结构的高精度微波功率检测系统及方法
CN107659281A (zh) * 2017-08-15 2018-02-02 东南大学 面向物联网的自检测的多余能量收集的悬臂梁恒幅器
CN110148824A (zh) * 2019-06-10 2019-08-20 东南大学 一种微波衰减器

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AN-QI ZHANG ET AL.: "A Tunable Attenuator Based on a Graphene-Loaded Coupled Microstrip Line", 《IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES》 *
PANKAJ SHARMA ET AL.: "Electromagnetic Performance of RF NEMS Graphene Capacitive Switches", 《IEEE TRANSACTIONS ON NANOTECHNOLOGY》 *
刘培国 等: "强电磁防护技术研究进展", 《中国舰船研究》 *
张一飞 等: "一种基于高阻硅衬底的高精度RF MEMS衰减器设计", 《中北大学学报(自然科学版)》 *
郑惟彬等: "微波电路的MEMS开关进展", 《微波学报》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113625046B (zh) 2022-05-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8089313B2 (en) Power amplifier
US8364195B2 (en) Integrated galvanic isolator using wireless transmission
JP5148562B2 (ja) 容量性信号結合を用いた高電圧駆動回路及び関連する装置及び方法
US7545211B2 (en) Predistortion linearization device with adjustable amplitude and shape
JP3668610B2 (ja) 高周波電力増幅回路
US8155602B2 (en) MEMS-based radio frequency circulator
US20110169587A1 (en) Signal transmitting/receiving circuit including an impedance matching circuit
CN113625046B (zh) 基于mems微悬臂梁和石墨烯cpw传输线的高功率自动保护电路
US10131115B1 (en) Hermetically sealed molecular spectroscopy cell with dual wafer bonding
US4232278A (en) High power microwave integrated circuit receiver protector with integral sensitivity time control
US10549986B2 (en) Hermetically sealed molecular spectroscopy cell
Ragonese et al. Reinforced Galvanic Isolation: Integrated Approaches to Go Beyond 20-kV Surge Voltage
CN113644632B (zh) 一种基于mems串联开关的高功率自动保护电路
JP2953394B2 (ja) 高周波電力増幅回路の設計方法
CN109995333A (zh) 激励信号触发下功放过冲抑制效率提升方法、电路及功放
JPH01135203A (ja) 信号処理装置および信号処理方法
CN116111959B (zh) 功率放大电路
US10819282B2 (en) Method for minimizing distortion of a signal in a radiofrequency circuit
US11984413B2 (en) High-frequency power transistor and high-frequency power amplifier
CN219980788U (zh) 一种1-6GHz宽带功放装置
CN112688647A (zh) 一种宽频带GaN微波功率放大器电路
JP2003188665A (ja) マイクロ波高出力増幅器
US11942913B2 (en) Variable gain amplifier
KR100378676B1 (ko) 파이형 출력 전송선 구조를 갖는 진행파 증폭기
TWM287497U (en) Detector structure for wired and wireless platform

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant