CN114759062A - 一种热偶式高灵敏度微波功率传感芯片及传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热偶式高灵敏度微波功率传感芯片，包括：衬底，在衬底上刻蚀背腔，在背腔上方设有热电堆，所述热电堆的上方设有共面波导，所述共面波导包括中央导带线和接地板，所述中央导带线中复合嵌套薄膜电阻，构成中央导带复合嵌套薄膜电阻结构，所述中央导带复合嵌套薄膜电阻结构与所述接地板连接。所述热电堆由若干个相邻热电偶彼此相互串联沿共面波导接地板内轮廓等间隔顺序排列构成，并引出直流电压连接线。

Description

一种热偶式高灵敏度微波功率传感芯片及传感器
技术领域
本发明属于微电子机械系统技术领域，具体涉及一种热偶式高灵敏度微波功率传感芯片及传感器。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
微波功率测量在微波信号的产生、传输及接收等各环节中必不可少，基于热偶式的微波功率传感芯片是微波功率计常用的传感芯片，在通信、科研等领域存在广泛的需求，目前，国内热偶式功率传感芯片研究尚不成熟，现有文献报道中的热偶式微波功率传感芯片普遍存在灵敏度低的问题，中国科学院研究了一种微梁结构热偶微波功率传感器芯片，工作频率范围DC～18GHz，芯片灵敏度为1.1mV/mW。东南大学研究了一种DC-25GHz的热偶功率传感器，在10GHz工作频率点处灵敏度为81.68uV/mW。南京邮电大学提出一种渐变结构的热电式MEMS微波功率传感器，实验表明8GHz～12GHz频率范围内具有良好的匹配特性，在工作频率为8GHz时，灵敏度为0.23mV/mW；在工作频率为10GHz处，灵敏度为0.22mV/mW。目前，热偶式功率传感芯片通常采用在共面波导终端处的中央信号线与两侧接地板之间并联两个薄膜电阻条，待测微波信号通过微波传输线在负载电阻处转换为热量，利用热电偶的赛贝克效应将热量转换为直流输出电压，通过测量直流电压的大小实现微波功率信号大小的测量，采用此方式，受限于薄膜电阻热传输区域，仅能放置数目有限的热偶对数，输出直流电压较低，芯片灵敏度较低，这对于检测电路的设计提出了较高的要求，使得检测电路放大电路设计复杂。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种热偶式高灵敏度微波功率传感芯片及传感器，本发明通过改变功率传感芯片中薄膜电阻的加载方式，增加热偶对的数目，优化共面波导的金属层、衬底结构设计，实现一种高灵敏度的热偶式功率传感芯片。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
第一个方面，本发明提供了一种热偶式高灵敏度微波功率传感芯片。
一种热偶式高灵敏度微波功率传感芯片，包括：衬底，在衬底上刻蚀背腔，在背腔上方设有热电堆，在所述热电堆的上方设有共面波导，所述共面波导包括中央导带线和接地板，所述中央导带线中复合嵌套薄膜电阻，构成中央导带复合嵌套薄膜电阻结构，所述中央导带复合嵌套薄膜电阻结构与所述接地板连接。所述热电堆由若干个相邻热电偶彼此相互串联沿共面波导接地板内轮廓等间隔顺序排列构成，并引出直流电压连接线。
第二个方面，本发明提供了一种热偶式高灵敏度微波功率传感器。
一种热偶式高灵敏度微波功率传感器，包括，采用第一个方面所述的热偶式高灵敏度微波功率传感芯片。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明采用小面积的共面波导接地板设计方式以及基底背腔刻蚀的方式，增加热偶区域的热阻，使得薄膜电阻释放的热量有效的传输到热偶的热端，增大热偶冷端与热端的温度差，根据赛贝克效应，温差增大，相应输出的直流电压增大，提高了芯片灵敏度。
同时，热电偶沿共面波导中接地板内轮廓顺序排列，彼此相互串联而形成热电堆，热电偶的数目可根据设计的薄膜电阻的数目相应增加，增大输出电压，提高灵敏度。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明示出的热偶式高灵敏度微波功率传感芯片的结构图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术中介绍的，现有的对于热偶式功率传感芯片设计采用在共面波导终端处的中央信号线与两侧接地板之间并联两个薄膜电阻条，热偶材料放置于终端电阻薄膜附近。该中设计受限于薄膜电阻热传输区域，仅能放置数目有限的热偶对数，输出直流电压较低，芯片灵敏度较低。其次，在提供灵敏的度方面，仅考虑了优化介质基板的设计。为此，本发明采用如下几种方案解决：
实施例一
本实施例提供了一种热偶式高灵敏度微波功率传感芯片。
一种热偶式高灵敏度微波功率传感芯片，包括：热偶式高灵敏度微波功率传感芯片，包括：衬底，在衬底上刻蚀背腔，在背腔上方设有热电堆，所述热电堆的上方设有共面波导，所述共面波导包括中央导带线和接地板，所述中央导带线中复合嵌套薄膜电阻，构成中央导带复合嵌套薄膜电阻结构，所述中央导带复合嵌套薄膜电阻结构与所述接地板连接。所述热电堆由若干个相邻热电偶彼此相互串联沿共面波导接地板内轮廓等间隔顺序排列构成，并引出直流电压连接线。
作为一种或多种实施方式，所述芯片采用共面波导作为待测信号的传输线。
作为一种或多种实施方式，所述共面波导接地板采用小面积的共面波导接地板设计，所述小面积的共面波导接地板是指接地板仅覆盖热电偶热端，接地板外轮廓位于热电偶热端附近区域且不超过热电偶冷端位置。
作为一种或多种实施方式，所述薄膜电阻设有N个(N≥1)，当N≥2时，薄膜电阻彼此形成串联关系。
作为一种或多种实施方式，热电偶的数目可根据设计的薄膜电阻的数目相应增加。
作为一种或多种实施方式，通过增加所述热电偶的数目和薄膜电阻的数目，以实现增大芯片的输出电压。
作为一种或多种实施方式，所述背腔的面积小于衬底的面积，轮廓不超过热电偶冷端。
在本实施例中，采用共面波导作为待测信号的传输线，薄膜电阻与共面波导中央导带相结合，串联多个薄膜电阻，增大芯片功率传感芯片热偶的受热面积。优化共面波导金属层接地板设计，采用小面积的共面波导接地板设计方式，增加热偶区域的热阻。热电偶沿共面波导中接地板内轮廓等间隔顺序排列，彼此相互串联而形成热电堆，热电偶的数目可根据设计的薄膜电阻的数目相应增加，增大输出电压。衬底采用刻蚀工艺，形成背腔，增加热偶区域的热阻。
本实施例设计的热偶式高灵敏度微波功率传感芯片，在工作频率为10GHz处，芯片灵敏度预计可达10mV/mW。
在本实施例中为使得薄膜电阻释放的热量有效的传输到热偶的热端，并保证冷端温度不受影响，在共面波导设计中，采用小面积的共面波导接地板设计方式，增加热偶区域的热阻，使得薄膜电阻发出的热量分布于热偶的热端，增大热偶冷端与热端的温度差，根据赛贝克效应，温差增大，相应输出的直流电压增大，提高了芯片灵敏度。
本实施例中的衬底采用刻蚀工艺，形成背腔增加热偶区域的热阻，提高灵敏度。
实施例二
本实施例提供了一种热偶式高灵敏度微波功率传感器。
一种热偶式高灵敏度微波功率传感器，包括，采用实施例一所述的热偶式高灵敏度微波功率传感芯片。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热偶式高灵敏度微波功率传感芯片，其特征在于，包括：衬底，在衬底上刻蚀背腔，在背腔上方设有热电堆，所述热电堆的上方设有共面波导，所述共面波导包括中央导带线和接地板，所述中央导带线中复合嵌套薄膜电阻，构成中央导带复合嵌套薄膜电阻结构，所述中央导带复合嵌套薄膜电阻结构与所述接地板连接。
2.根据权利要求1所述的热偶式高灵敏度微波功率传感芯片，其特征在于，所述热电堆由若干个热电偶彼此相互串联沿共面波导接地板内轮廓等间隔顺序排列构成，并引出直流电压连接线。
3.根据权利要求1所述的热偶式高灵敏度微波功率传感芯片，其特征在于，所述芯片采用所述共面波导作为待测信号的传输线。
4.根据权利要求3所述的热偶式高灵敏度微波功率传感芯片，其特征在于，所述共面波导采用小面积的共面波导接地板设计。
5.根据权利要求4所述的热偶式高灵敏度微波功率传感芯片，其特征在于，所述小面积的共面波导接地板是指接地板仅覆盖热电偶热端，接地板外轮廓位于热电偶热端附近区域且不超过热电偶冷端位置。
6.根据权利要求1所述的热偶式高灵敏度微波功率传感芯片，其特征在于，所述薄膜电阻设有N个，其中N≥1；当N≥2时，薄膜电阻彼此形成串联关系。
7.根据权利要求1所述的热偶式高灵敏度微波功率传感芯片，其特征在于，热电偶的数目根据设计的薄膜电阻的数目相应增加。
8.根据权利要求1所述的热偶式高灵敏度微波功率传感芯片，其特征在于，通过增加所述热电偶的数目和薄膜电阻的数目，以实现增大芯片的输出电压。
9.根据权利要求1所述的热偶式高灵敏度微波功率传感芯片，其特征在于，所述背腔的面积小于衬底的面积，背腔的轮廓不超过热电偶冷端。
10.一种热偶式高灵敏度微波功率传感器，其特征在于，包括：采用权利要求1-9任一项所述的热偶式高灵敏度微波功率传感芯片。
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