DE60005209T2

DE60005209T2 - Sensor für elektromagnetische wellen

Info

Publication number: DE60005209T2
Application number: DE60005209T
Authority: DE
Inventors: Armelle Daulle; Jacques Richard; Pascal Xavier; Dominique Rauly
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1999-10-28
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2020-10-28
Also published as: EP1226443A1; FR2800470B1; ATE249631T1; JP2003513247A; FR2800470A1; AU1283101A; US6767128B1; JP4769399B2; ES2204715T3; WO2001031349A1; EP1226443B1; DE60005209D1

Description

Die Erfindung betrifft den Bereich von Sensoren zur direkten Messung der elektromagnetischen Leistung sowie ihre Herstellung.
Die Messung der Leistung der elektromagnetischen Welle ist in zahlreichen Industriebereichen sehr nützlich.
Die Kenntnis der Leistungspegel in allen Stufen ist für die Leistungen der meisten Mikrowellengeräte sowohl während der Konzeptionsphase dieser Geräte als auch bei ihrer normalen Verwendung entscheidend. Jede Komponente muß den geeigneten Leistungspegel der vorangehenden Komponente erhalten und muß selbst der nachfolgenden Komponente den richtigen Pegel liefern. Wenn der Leistungspegel zu niedrig ist, geht das Nutzsignal im Rauschen unter. Wenn der Pegel zu hoch ist, trifft man auf Verzerrungs- und Sättigungsprobleme. Andererseits ist bei Mikrowellenfrequenzen die Leistung im Gegensatz zur Spannung oder dem Strom für den Meßtechniker eine gut definierte Kenngröße.
Die Messung der Leistung einer elektromagnetischen Welle wird im allgemeinen mit Hilfe von isolierten Sensoren für elektromagnetische Leistung oder mit Hilfe von Wattmetern für Radiofrequenz (RF) und Mikrowellenfrequenz (HF), die derartige Sensoren aufweisen, durchgeführt.
Man kennt bereits Sensoren für elektromagnetische Leistung, die zur Messung dieser verwendet werden, Dioden oder thermische Sensoren, wie Widerstandsthermometer oder Thermoelemente.
Das Dokument US 5 302 024 (veröffentlicht am 12. April 1994) zitiert in seiner Einleitung klassische Meßtechniken, die Wollaston-Drähte, Thermistoren oder Thermoelemente verwenden.
Bei den Diodensensoren wird die Diode in eine Detektionszelle eingebaut und die mittlere Spannung am Ausgang dieser Zelle erlaubt es, die Leistung oberhalb der Diode zu messen. Die Vorteile derartiger Leistungssensoren sind z.B. die Empfindlichkeit (man kann so geringe Leistungen wie –70 dBm, d.h. 0,1 nW messen), die Dynamik (typischerweise 50 dB), die Integrierbarkeit in planare Siliciumschaltungen und die Geschwindigkeit (Gesamtantwortzeit von etwa 1 μs). Diese Sensoren sind jedoch bei Leistungen über –20 dBm (d.h. 10 μW) nicht linear. Um darüberliegende Leistungen messen zu können, muß man ein Dämpfungsglied in die Meßkette einfügen, aber dies verringert die Genauigkeit der Messung. In diesem Fall sind die Konstrukteure gezwungen, Diodensensoren vorzuschlagen, die eine anpaßte elektronische Schaltung mit einem Mikroprozessor und mit Speichern aufweisen, um diese Nicht-Linearitäten zu korrigieren. Dies erhöht den Preis solcher Sensoren.
Bei thermischen Sensoren werden hauptsächlich zwei Meßarten verwendet: Die "kompensierte" Messung und die "direkte" Messung.
Im Falle einer kompensierten Messung absorbiert die Last die elektromagnetische, aber auch die von einem zusätzlichen elektrischen Gleichstrom gelieferte Leistung, und wird auf konstanter Temperatur gehalten, indem der absorbierte Leistungspegel geregelt wird (jede Änderung der elektromagnetischen Leistung wird durch eine Änderung im entgegengesetzten Sinn der durch einen elektrischen Gleichstrom zugeführten Leistung kompensiert). Die Messung des elektrischen Gleichstroms ergibt den Pegel der elektromagnetischen Leistung der Welle. Die Herstellung dieser Art von Sensor weist jedoch den Nachteil auf, technologisch komplex zu sein.
Im Fall einer direkten Messung wird die elektromagnetische Welle in einer angepaßten Last absorbiert und in Wärme umgewandelt (Prinzip der Bolometrie); die Erwärmung der Struktur wird also mit einem Thermistor oder einem Thermoelement gemessen. Diese Art von Sensor weist zwei verschiedene Elemente auf: Die angepaßte Last, die die Leistung absorbiert und in Wärme umwandelt, und das Thermometer, das ein Thermistor oder ein Thermoelement sein kann. Die Vorteile solcher thermischer Sensoren sind die Meßgenauigkeit, die Bandbreite und die Tatsache, daß Messungen bei hohen Leistungen möglich sind.
Das Dokument US 5 302 024 beschreibt auch einen Leistungssensor, der eine dissipative Last, eine Übertragungsleitung zum Übertragen der Leistung zur Last und einen für Wärme empfindlichen Diodenübergang aufweist, der in der Nähe der Last angeordnet ist und dessen Leitfähigkeit von der von der Last abgegebenen Wärme abhängt.
Ein Ziel der Erfindung ist einen Sensor zur direkten Messung einer elektromagnetischen Leistung bereitzustellen, der eine genaue Messung ergibt, eine relativ große Bandbreite aufweist und Messungen bei hoher Leistung erlaubt und dabei niedrige Herstellungskosten hat.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß aufgrund eines Sensors zur direkten Messung der elektromagnetischen Leistung erreicht, der eine Führungsstruktur zum Zuführen der Leistung, eine dissipative Last und ein Thermometer aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges Element die Last und das Thermometer bildet.
In der Tat ist ein solcher Sensor ein thermischer Sensor. Er weist daher die Vorteile dieser Art von Sensoren auf und hat dabei aufgrund der Tatsache, daß die Last und das Thermometer ein einziges Element bilden, eine vereinfachte technologische Realisierung und folglich niedrigere Herstellungskosten.
Vorteilhafterweise ist die Führungsstruktur eine planare Struktur, insbesondere in Form einer Mikrostreifenleitung. Der Sensor kann daher in eine Struktur integriert werden, die selbst planar ist.
Vorteilhafterweise wird außerdem der Übergang zwischen der Führungsstruktur und der Last gemäß einem Spitzprofil realisiert. Dieser Übergang kann mit einer Last realisiert werden, die ein Spitzprofil und/oder eine Führungsstruktur mit einem Spitzprofil aufweist. Eine solche Technik wird auch Verjüngung ("taperisation") genannt, vom Englischen Verb "to taper", das "verjüngen, zuspitzen" bedeutet. Diese Technik erlaubt es, am Eingang der Last eine charakteristische Impedanz nahe der Nominalimpedanz der Leitung von 50 Ohm zu haben. Die verjüngte Leitung absorbiert progressiv die einfallende Mikrowellenleistung und minimiert dabei demnach die parasitären Reflexionen. Die Leistung wird in Form von Wärme abgeführt, so daß die Temperatur der Leitung ansteigt und sich folglich der Gleichstromwiderstand der Leitung ändert (ohne daß dies das Mikrowellenfrequenzverhalten der Leitung beeinflußt). Es genügt daher, diese Änderung zu messen.
Der in diesem Text verwendete Ausdruck "Last" entspricht einer lokalisierten Last und/oder einer verteilten Last.
Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren von Sensoren zur direkten Messung der elektromagnetischen Leistung, das die Herstellung einer Führungsstruktur zum Zuführen der Leistung, einer dissipativen Last und eines Thermometers umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges Widerstandselement hergestellt wird, das die Last und das Thermometer bildet.
Vorteilhafterweise wird gemäß diesem Verfahren daher der Übergang zwischen der Führungsstruktur und der Last gemäß einem Spitzprofil hergestellt.
Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, die einen Sensor wie den oben dargestellten aufweist.
Vorteilhafterweise weist dieser also zwei Elemente auf, von denen

– das eine ein Sensor zur direkten Messung der elektromagnetischen Leistung ist, der eine Führungsstruktur zum Zuführen der Leistung, eine dissipative Last und ein Thermometer aufweist, wobei die zwei letzteren ein einziges Element bilden, und
– das andere zur Regelung der Temperatur des Sensors zur direkten Messung der elektromagnetischen Leistung dient.

Dies erlaubt die Änderungen der Umgebungstemperatur zu kompensieren. Gemäß einer Variante kann die Vorrichtung, die zur Regulierung der Temperatur dient, eine Vorrichtung nach dem Peltier-Effekt sein. Gemäß einer anderen Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt diese zwei mit dem Sensor identische Elemente, von denen jedoch nur eines der elektromagnetischen Welle, deren Leistung gemessen werden soll, ausgesetzt wird.
Man nimmt also eine Differentialmessung vor, in der beide in einer Wheastoneschen Brücke angeordnet sind und das eine der elektromagnetischen Welle ausgesetzt wird, nicht dagegen das andere. Dies garantiert eine Messung der Leistung, die unabhängig von der Temperaturdrift des Sensors reproduzierbar ist.
Andere Aspekte, Ziele und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich. Die Erfindung wird auch mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen besser verständlich, in denen:
1 perspektivisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors schematisch darstellt;
2 von oben gesehen die verjüngte Last eines Sensors der in 1 dargestellten Art und eine abschnittsweise Modellierung dieser Last schematisch darstellt;
3 im transversalen Schnitt einen Sensor des in den 1 und 2 dargestellten Typs schematisch darstellt;
4 vier Kurven entspricht, die das Stehwellenverhältnis darstellen, das durch numerische Simulation eines Sensors der in den 1, 2 und 3 dargestellten Art als Funktion seiner Dimensionen erhalten wird;
5 von oben gesehen die Mikrostreifenleitung eines Sensors der in den 1, 2 und 3 dargestellten Art schematisch darstellt;
6 eine Meßvorrichtung schematisch darstellt, die einen Sensor der in den 1, 2, 3 und 4 dargestellten Art aufweist;
7 von oben gesehen ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors schematisch darstellt;
8 von oben gesehen eine Variante des in der 7 dargestellten Sensors schematisch darstellt;
9 eine Darstellung des Stehwellenverhältnisses ist, das in einem Sensor der in den 7 und 8 dargestellten Art gemessen wurde;
10 eine Meßvorrichtung schematisch darstellt, die einen Sensor der in den 7 und 8 dargestellten Art aufweist;
11a und 11b eine Variante des erfindungsgemäßen Sensors darstellen, die einem CPW genannten Ausführungsbeispiel entspricht; die 11a entspricht einem transversalen Schnitt des Sensors; die 12b entspricht einer Ansicht von oben des Sensors gemäß der 11a;
12 von oben gesehen eine Variante des erfindungsgemäßen Sensors darstellt, die einer Struktur entspricht, die analog mit der in den 11a und 11b dargestellten ist und in der die Verjüngung transversal umgekehrt wurde;
13 im transversalen Schnitt eine Variante des erfindungsgemäßen Sensors darstellt, die einer Struktur der in den 11 und 12 dargestellten Art entspricht, der eine Masseebene auf der Rückseite des Substrats hinzugefügt worden ist;
14a, 14b und 14c eine Variante des erfindungsgemäßen Sensors darstellen, die einem Ausführungsbeispiel von der Art einer asymmetrischen koplanaren Leitung entspricht; die 14a und 14b entsprechen einem transversalen Schnitt zweier verschiedener Ausführungsbeispiele von Sensoren, die zu dieser Art von Struktur gehören; die 14c entspricht einer Ansicht von oben des Sensors, der dem in der 14b veranschaulichten Ausführungsbeispiel entspricht; und
15a und 15b eine Variante des erfindungsgemäßen Sensors darstellen, die einem Ausführungsbeispiel des Spalttyps entspricht; die 15a entspricht einem transversalen Schnitt; die 15b entspricht einer Ansicht von oben des in der 15a veranschaulichten Sensors.
In einem solchen Sensor muß die reflektierte Welle nicht nur minimiert werden, sondern sie muß darüber hinaus von dem Ma terial auf ihrem Rückweg absorbiert werden. Es muß sich um eine Verlustleitung handeln. Außerdem muß der Reflektonskoeffizient hinsichtlich Temperatur und Frequenz stabil sein, damit die gesamte in den Sensor eingekoppelte Leistung tatsächlich absorbiert wird und dies über ein breites Band. Der erfindungsgemäße Sensor ist konzipiert, um diese Bedingungen zu erfüllen.
Die Geometrie des Sensors wird durch die Eingangsimpedanz der Vorrichtung bei einer gegebenen Frequenz, dem Reflektionskoeffizienten und dem Stehwellenverhältnis bestimmt.
Zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sensors werden im folgenden detailliert beschrieben werden.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Sensor ein Sensor mit verjüngter Last aus Niobiumnitrid (NbN).
Dieses erste Ausführungsbeispiel ist in 1 dargestellt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der Sensor 1 eine Mikrostreifenleitung 2 aus Platin und eine verjüngte Last 3 aus NbN auf, die auf einem Oxidsubstrat (MgO) von 250 μm Dicke aufgebracht sind (Eigenschaften des Magnesiumoxid: Dielektrizitätskonstante ε_r= 9,6, Verlustfaktor tanδ = 10^–4, thermische Leitfähigkeit κ_th ≈ 20 W·m^–1·K^–1). Die Platinleitung 2 macht in seiner Mitte progressiv Platz für eine spitzprofilierte Schicht aus NbN. Der Übergang zwischen der Führungsstruktur und der Last ist hier also mit einer Last 3 realisiert, die ein Spitzprofil aufweist. Am Ende der Leitung erlaubt ein Kurzschluß 5 die Verbindung der Last 3 mit der elektrischen Masse.
Auf der bzgl. des Kurzschlusses 5 gegenüberliegenden Seite der verjüngten Last 3 wird die elektromagnetische Leistung P_RF eingekoppelt.
Das NbN sehr empfindlich hinsichtlich der Temperatur, was den Vorteil aufweist, daß sehr wenig Leistung ausreicht, um eine meßbare Widerstandsänderung hervorzurufen.
Man kann die verjüngte Leitung als eine Verbindung einer Reihe von n Leitungsabschnitten der Länge dz und der Breite W_n modellieren (2).
Die 3 ist in Schnittansicht ein Schema eines Leitungsabschnitts des verjüngten Sensors, das diesem ersten Ausführungsbeispiel entspricht. Dieser Abschnitt hat eine Gesamtbreite W_tot. Die Breite des NbN in diesem Abschnitt ist W(n).
Jeder Abschnitt wird hinsichtlich des spezifischen Widerstands als die parallele Verbindung eines ohmschen Abschnitts aus NbN und aus zwei Platinabschnitten betrachtet. Dennoch bewirkt das Verhältnis der spezifischen Widerstände zwischen diesen zwei Materialien, daß der Ersatzwiderstand im wesentlichen durch den Beitrag des Platin hervorgerufen wird.
Die gesamte Breite W_tot kann durch Simulation mit dem Programm SuperCompact^TM bestimmt werden. Es handelt sich um die Breite der Mikrostreifenleitung 2 auf Höhe des Zugangs des Sensors 1, die nur aus Platin gebildet ist. Sie muß derart sein, daß die charakteristische Impedanz dieses Zugangs 50 Ohm ist. Eine solche Simulation ergibt, daß die gesamte Breite W_tot gleich 250 μm sein muß.
Für den Abschnitt n der Länge dz, mit charakteristischer Impedanz Z_c(n), Ausbreitungskonstante γ(n) und geladen mit einer Impedanz Z_T(n), ergibt die Impedanz am Eingang:
Alle in diesem Ausdruck auftretenden Parameter werden bei jeder neuen Iteration n in Abhängigkeit der Breite W(n) berechnet.
Der Vierpol n = 1 ist der letzte Abschnitt des NbN: er wird durch einen Kurzschluß 5 geladen. Folglich ist Ze(1) = Zc(1)tanh[γ(1)dz].
Anschließend hat der Vierpol n = 2 die Lastimpedanz Z_T(2), die Eingangsimpedanz des Vierpols n = 1 ist Z_e(1), so daß:
Usw. Stück für Stück für die gesamte Länge des Sensors 1.
Man kann also das Stehwellenverhältnis als Funktion der Geometrie des Sensors 1 berechnen (Länge des Sensors 1: l, und Breite des ersten Abschnitts des NbN: W_min). Die 4 zeigt Kurven des Stehwellenverhältnisses am Eingang des Sensors 1, die bei verschiedenen Frequenzen in dem Bereich 1-10 GHz mit den folgenden Parametern erhalten wurden:
Spezifischer Widerstand des NbN = 10 mΩ·cm
Spezifischer Widerstand des Platin = 10 μΩ·cm
Dicke der Metallisierung = 1000·10¹⁰m (1000 Å).
Diese Kurven zeigen, daß die Stabilität des Stehwellenverhältnisses ab einer Länge der Verjüngung von größer als etwa 2 cm nahe des Wertes 1 ist. Im allgemeinen akzeptiert man ein Stehwellenverhältnis kleiner als 1,1, auch wenn in der Industrie Stehwellenverhältnisse von 1,5 häufig sind.
Dies führt dazu, die folgenden Parameter für die Geometrie des Sensors 1 zu wählen: Länge der Verjüngung 1 = 23 mm (23 Abschnitte) und Breite des ersten Abschnittes W_min = 10 μm.
Die Leitung wird gebildet, indem eine Platinschicht von 1000·10^–10m (1000 Å) durch Kathodenzerstäubung bei 300°C aufgebracht wird und dann ein Muster durch UV-Photolithographie hergestellt wird, gefolgt von einem ionischen Ätzen. Dieses Muster ist mäanderförmig (5). Es wird definiert durch eine erste Maske. Ihr Gegenstück, das durch eine zweite Maske definiert wird, dient zur Herstellung der Last 3 des NbN.
Das mäanderförmige Muster erlaubt es, den Platzbedarf zu reduzieren und aufgrund einer Maximierung der Konzentration der Erwärmung gleichzeitig die Empfindlichkeit zu erhöhen.
Die Last 3 wird durch "lifut-off" realisiert (die sog. "liftoff"-Technik ist ein Herstellungsverfahren von Mustern aus dünnschichtigen Materialien, das darin besteht, eine dünne Schicht auf ein Substrat aufzubringen, das bereits ein Harz trägt, das ein Muster definiert, und dann das Harz durch Auflösen in einer Lösung zu entfernen, wobei nur die Zonen, die kein Harz aufweisen, dabei bestehen bleiben). Sie hat eine Dicke von 1200·10^–10m (1200 Å) und bedeckt das Platinmuster auf 10 μm an dessen Rändern, um einen elektrischen Kontakt sicherzustellen.
Das Substrat 4 wird auf der Rückseite vergoldet, um die Masseebene zu bilden.
Der Sensor 1 gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel wurde mit einem Vektornetzwerkanalysator Hewlett Packard^TM 8720B nach einer OSL-Eichung (von dem englischen Ausdruck "Open Short Load", der "offene Schaltung/Kurzschluß/angepaßte Last" bedeutet und der einem Standard-Eichverfahren mit drei Punkten entspricht) zwischen 160 MHz und 12 GHz hinsichtlich Reflektion charakterisiert. Man kann daher feststellen, daß das Stehwellenverhältnis über ein breites Frequenzband konstant ist.
Der Sensor 1 gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel wurde auch hinsichtlich Reflektion charakterisiert. Zu diesem Zweck wurde ein Gleitstrom über eine Polarisations-T-Klemme 6 von Rhode und Schwartz^TM in den Sensor 1 eingeleitet, während die Reflektion mit einer niedrigen RF-Leistung derart gemessen wurde, um keine zusätzliche Erwärmung hervorzurufen. Dies hat es erlaubt festzustellen, daß die Einleitung eines starken Stromes, der den Sensor 1 erwärmt, den Widerstand abfallen läßt und gleichzeitig die Kurve unverändert läßt, die die Änderungen des Reflektionskoeffizienz als Funktion der Frequenz angibt.
Man kann daher vorhersagen, daß ein solcher Sensor 1 einen Reflektionskoeffizienten konstant erhält, wenn die Dissipation der eingekoppelten elektromagnetischen Leistung eine Änderung der Temperatur hervorruft.
Eine Messung der elektromagnetischen Leistung wurde unter Verwendung des gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel erhaltenen Sensors 1 durchgeführt.
Die 6 zeigt die für diese Messung verwendete experimentelle Anordnung. Diese experimentelle Anordnung umfaßt eine Mikrowellenfrequenzquelle, die einer synthetischen Quelle eines Vektornetzwerkanalysators 7 Hewlett Packard^TM 8753C entspricht. Die Messung der elektromagnetischen Leistung wird durchgeführt, indem die Änderung des Widerstandes R_cc des Sensors 1 aufgrund der Einleitung eines schwachen Gleichstroms, der aus einer Gleichstromquelle 8 Time^TM 609 stammt, bestimmt wird. Die Widerstandsänderung ruft eine Spannungsänderung hervor, die auf einem numerischen Voltmeter 9 Hewlett Packard^TM 34401 abgelesen wird.
Der Sensor 1, der einer RF-Leistung von 20 dBm (100 mWatt) bei einer Frequenz von 3,5 GHz ausgesetzt wird, ergibt eine Widerstandsänderung von 100 Ω. Die Sensibilität dieses Sensors 1 entspricht daher 1 kΩ·W^–1, dies ist in relativen Größen
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel des Sensors ist dieser ein Sensor aus einem verjüngten Platinstreifen.
Für Temperaturen oberhalb von 100 K ändert sich der spezifische Widerstand von Platin linear mit der Temperatur und der Variationskoeffizienz des spezifischen Widerstandes
ist etwa gleich +0,4%·K Gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel umfaßt der Sensor 1 eine Mikrostreifenleitung 2 aus einer dünnen Platinschicht, die wie in 7 schematisch dargestellt verjüngt ist und auf ein Lanthan-Aluminat (LaAlO₃) von 500 μm Dicke und einer Oberfläche von 5×5 mm² aufgebracht ist (die Wärmeleitfähigkeit von LaAlO₃ ist κ_th = l2W·m^–1·K^–1).
Am Ende der Leitung erlaubt ein Kurzschluß 5 die Verbindung des Streifens 2 mit der elektrischen Masse.
Gegenüber MgO weist LaAlO₃ eine größere Dielektrizitätskonstante (ε_r = 24,2 bei 300 K) auf, was es erlaubt, die Phasengeschwindigkeit in der Struktur zu verringern und folglich auch die geführte Wellenlänge zu verringern.
Die Dimensionen der Leitung, die notwendig sind, um eine charakteristische Impedanz von 50 Ω zu haben, wurden per Simulation auf dem Programm SuperCompact^TM festgestellt, wobei der verjüngte Streifen wie eine Folge von mehreren ohmschen Mikrostreifenleitungen verschiedener Breite betrachtet wurden, die mit einem Kurzschluß 5 an die Masse abgeschlossen wurde. Gemäß dieser Simulation muß diese Breite gleich 170 μm sein.
Die Dicke der Metallisierung ist 800·10^–10m (8001).
Die Verjüngung wird auf einer Länge von 23 mm erzielt, wobei die Breite zwischen 170 μm am Anfang der Leitung und 20 μm am Ende der Leitung variiert und ein mäanderförmiges Profil (8) besitzt, das auf eine kleine Oberfläche (etwa 5×4 mm²) begrenzt ist.
Mit dieser Geometrie bleibt die Kopplung zwischen zwei benachbarten Leitungsabschnitten schwach.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die Leitung 2 gebildet, indem durch Kathodenzerstäubung bei 200°C eine Platinschicht von 800·10^–10m (800 Å) auf das Substrat 4 aufgebracht wird.
Ein ionisches Ätzen erlaubt anschließend nur den verjüngten Mäander zu behalten.
Der gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel realisierte Sensor 1 wurde mit einem Vektornetzwerkanalysator Hewlett-Packard^TM 8720B nach einer OSL-Eichung zwischen 160 MHz und 20 GHz hinsichtlich Reflexion charakterisiert. Man kann daher feststellen, daß das Stehwellenverhältnis in einem Bereich von 2,5 GHz bis 15 GHz unterhalb von 2 ist. Dieser Sensor 1 ist daher gut für ein breites Band angepaßt (9).
Die Ermittlung der Parameter des Verbinders, die mittels des Programms SuperCompact^TM durchgeführt wurde, hat ergeben, daß das Stehwellenverhälntis in einem Bereich von 4,5 GHz bis 12 GHz unterhalb von 1,5 sein kann. 1,5 ist ein typischer Wert von Stehwellenverhältnissen der industriellen Wattmeter.
Oberhalb von 2,5 GHz ist die Verwendung dieser Art Sensor 1 zur Leistungsmessung nicht möglich, da sein Stehwellenver hältnis zu groß wird. Dies ist selbstverständlich dem Prinzip der Verjüngung selbst inhärent.
Das Stehwellenverhältnis des Sensors 1 wurde auf einem Vektornetzwerkanalysator bei Umgebungstemperatur sowie bei einer Temperatur von 40°C gemessen. Im Frequenzband 4-8 GHz bleibt das Stehwellenverhältnis unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen. Zwischen 8 und 12 GHz sind die Kurven der Stehwellenverhältnisse in Abhängigkeit der Frequenz leicht unterschiedlich. Oberhalb von 12 GHz wird dieser Unterschied deutlicher. Aber dieses Verhalten kann von anderen Faktoren als denjenigen, die direkt mit dem Sensor 1 verbunden sind, herrühren.
Eine Messung der elektromagnetischen Leistung wurde unter Verwendung des Sensors 1 durchgeführt, der gemäß dem oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel erhalten wurde. ^` Die 10 zeigt die für diese Messung verwendete experimentelle Anordnung. Sie umfaßt
einen Analysator 7 (Hewlett Packard^TM 8720B),
einen Mikrowellenfrequenzverstärker 10 (Elexience^TM CNA02082840, Frequenzbereich: 2-8 GHz, Verstärkung: 28 dB min, Kompressionspunkt bei 1 dB: 18 dB min, Stehwellenverhältnis: 2),
einen von MTC^TM vertriebenen Isolator 11 (Isolierung 18 dB, Einkopplungsdämpfung 0,5 dB, ROS 1,35 (ROS ("Rapport d'Ondes Stationnaires") bedeutet "Verhältnis der stationären Wellen"), unterstützte mittlere Leistung 25 Watt),
eine Gleichstromquelle 8 Time^TM 609 und
ein numerisches Voltmeter 9 Prema^TM 5017.
Der Analysator 7 liefert eine Mikrowellenleistung von –10 dBm. Diese wird anschließend mittels der Mikrowellenfrequenzverstärkers 10 verstärkt.
Der Isolator 11 schützt den Analysator 7 gegen einen Rücklauf hoher Leistung. Ein Isolator MTC^TM vom Typ F105 wurde für die Messungen im Bereich 2-4 GHz verwendet. Ein Isolator MTC^TM vom Typ H105 wurde für die Messungen im Bereich 4-8 GHz verwendet.
Der Sensor 1 wird auf einen Probehalter aus Kupfer montiert. Die elektromagnetische Welle wird über ein Koaxialkabel zugeleitet. Die Verbindung zwischen dem Sensor 1 und dem Koaxialkabel wird durch einen Verbinder SMA sichergestellt. Der Träger des Substrats 4 ist unter der Masseebene des Sensors 1 mit einem Loch von 4 mm Durchmesser versehen, das derart in das Kupfer gebohrt ist, daß die Wärmeaustauschvorgänge verringert werden und so die Erwärmung der verjüngten Leitung 2 verstärkt wird, wenn diese eine Mikrowellenleistung absorbiert. Es muß bemerkt werden, daß diese technische Wahl die Antwortzeit des Sensors 1 verschlechtert; dies ist wenig bedeutend, wenn man nicht ein schnellen Sensor konstruieren will, sondern einen Sensor, der die Leistung einer Welle im Wartungsbetrieb oder Dauerbetrieb mißt.
Der Sensor 1 wurde einer Leistungsstufe von –30 dBm bis +20 dBm ausgesetzt und die Widerstandsänderung im Gleichstrom wurde auf dem numerischen Voltmeter 9 aufgrund der Zuleitung eines aus der Gleichstromquelle 8 stammenden schwachen Stromes von 100 μA gemessen. Diese Messungen wurden bei der Frequenz von 6,7 GHz durchgeführt, bei der das Stehwellenverhältnis minimal ist und 1,4 beträgt.
Bevor man das Meßsystem einer Mikrowellenfrequenzleistungsstufe aussetzt, läßt man ihm die Zeit, eine stabile Temperatur zu erreichen. In der Tat erwärmt sich der Verstärker 10 im Betrieb und erreicht eine Temperatur von 54°C unabhängig von der Mikrowellenleistung am Eingang.
Die Messung der Leistung ergibt sich durch den Wert des Widerstandes, wenn der Sensor seinen Dauerbetrieb erreicht hat:
Die Empfindlichkeit des Sensors wurde hier mit 10 Ω für 100 mW, d.h. 100 Ω × W^–1, bestimmt.
Der gemäß dem oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel realisierte Sensor 1 erlaubt also, die Leistung einer in einer planaren Struktur geführten elektromagnetischen Leistung mit einer Empfindlichkeit von 100 Ω × W^–1 und in einem typischen Frequenzbereich von 2-12 GHz zu messen.
Zwei Ausführungsbeispiele des Sensors gemäß der Erfindung wurden oben detailliert beschrieben, aber es existieren zahlreiche andere Ausführungsformen, die mit der Erfindung, die durch die Ansprüche begrenzt wird, übereinstimmen. Einige von ihnen werden unten mit Bezug auf die 11-15 kurz beschrieben.
Die 11a und 11b stellen einen Sensor dar, der einem CPW (von dem englischen Ausdruck "Coplanar Wave Guide", der einer dem Fachmann gut bekannten Art von Strukturen entspricht) genannten Ausführungsbeispiel entspricht. Der Sensor 1 umfaßt eine Leitung 2, eine verjüngte Last 3 und eine Metallschicht 12 der Masse. Die Messung der elektromagnetischen Leistung wird daher aufgrund einer Vorrichtung 14 durchgeführt, die den Widerstand mit einem Gleichstrom mißt. Der Widerstand wird zwischen der Leitung 2 und der Metallschicht 12 der Masse gemessen. Die 11a entspricht einem transversalen Schnitt des Sensors 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel. Die 11b entspricht einer Ansicht von oben des Sensors 1 gemäß der 11a.
Die 12 entspricht einer zu der in den 11a und 11b dargestellten analogen Struktur, in der die Verjüngung transversal invertiert wurde.
Die 13 entspricht einer Struktur der Art, wie sie in den 11 und 12 dargestellt sind, an die eine Masseebene 13 auf der Rückseite des Substrats 4 hinzugefügt wurde. Diese Art von Struktur entspricht einem Ausführungsbeispiel, das GCPW genannt wird (von dem englischen Ausdruck "Grounded Coplanar Wave Guide").
Die 14a, 14b und 14c entsprechen einem Ausführungsbeispiel der asymmetrischen koplanaren Leitungsart. Die 14a und 14b entsprechen einem transversalen Schnitt des Sensors 1 gemäß zweier verschiedener Ausführungsbeispiele des Sensors 1 entsprechend dieser Strukturart. 14c entspricht einer Ansicht von oben des Sensors 1, der dem in der 14b dargestellten Ausführungsbeispiel des Sensors 1 entspricht. Man kann ebenfalls ausgehend von dem Bild der in 13 dargestellten Struktur Sensoren 1 wie diejenigen der 14a, 14b und 14c mit einer Masseebene 13 auf der Rückseite des Substrats 4 entwerfen.
Die 15a und 15b entsprechen einem Ausführungsbeispiel der Spaltart. Die 15a entspricht einem transversalen Schnitt des Sensors 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel. Die 15b entspricht einer Ansicht von oben des Sensors 1 entsprechend der 15a. Die Last 3 ist verjüngt. Die elektromagnetische Welle wird durch das Substrat 4 in den Spalt geführt und wird progressiv in der Last 3 abgeschwächt, die sich längs der seitlichen Masseebenen 12 erstreckt. Die Messung des Widerstandes wird zwischen den zwei seitlichen Masseebenen 12 durchgeführt. Man kann ebenfalls ausgehend von dem Bild der in 13 dargestellten Struktur Sensoren 1 wie derjenige der 15a und 15b mit einer Masseebene 13 auf der Rückseite des Substrats 4 entwerfen.
Im allgemeinen wird ein erfindungsgemäßer Sensor 1 in Form von irgendeiner planaren Strukturart realisiert werden können, die insbesondere es erlaubt, ein teilweises Auffüllen mit einem dissipativen Material vorzunehmen, um eine Last zu erzeugen, die verteilt, verjüngt, spitz vor oder zurücklaufend ist und die über eine Gleichstromessung zugänglich ist. Man kann ebenfalls vorsehen, die Führungsstruktur selbst zu verjüngen, d.h. die Metallisierung. Bei niedrigen Kosten, da er technologisch einfacher ist als die auf dem aktuellen Markt existierenden Sensoren, verlangt dieser Sensor 1 nur ein einziges metallisches Element, das auf ein dielektrisches Substrat 4 aufgebracht ist und eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante aufweist. Er ist in die meisten Mikrowellenfrequenzschaltungen integrierbar und hat den Vorteil eines sehr kompetitiven Stehwellenverhältnisses gegenüber herkömmlichen industriellen Sensoren.
Um die Leistungsfähigkeit dieser Art von Sensor 1 zu verbessern kann man die Temperatur der Halterung (aus Kupfer) des Sensors mit einem Peltier-Effekt-Miniatursystem regeln.
Die Kompensation der Änderungen der Umgebungstemperatur kann dadurch vorgenommen werden, daß auf demselben Substrat zwei identische Sensoren realisiert werden. Indem beide in einer Wheatstone-Brücke angeordnet werden, wird nach dem Prinzip des Differentialsensors der eine der elektromagnetischen Welle ausgesetzt, der andere nicht. Die intrinsische Linearität der thermischen Empfindlichkeit des Platins garantiert also eine reproduzierbare Leistungsmessung unabhängig von der Temperaturdrift des Sensors 1.
Die Erfindung erlaubt also die Messung des wahren Effektivwerts der Leistung einer geführten elektromagnetischen Welle in einer planaren Schaltung in einem Leistungsbereich von typischerweise 1 mW bis 1 W (sogar mehr, wenn man zu dem Sensor einen Leistungskoppler hinzufügt) und in einem typischen Frequenzbereich von 2 GHz bis 15 GHz. Je nach Fall wird diese Messung durchgeführt, um:

– zu überwachen, daß der Leistungspegel am Ausgang einer Komponente oder eines Systems richtig ist und einem Pflichtenheft oder einer Norm (beim Entwurf, bei der Produktion und bei der Wartung vor Ort oder aus der Ferne) entspricht;
– einen Leistungspegel zu Eichzwecken von Mikrowellenfrequenzsystemen zu messen.

Die Anwendungsbereiche sind zahlreich, da die Mikrowellenfrequenzsysteme sehr verbreitet sind und entsprechen den Anwendungsbereichen von industriellen Mikrowellenfrequenzwattmetern:

– in der Telekommunikation und beim Fernseh-Rundfunk (z.B. bei der in sito – Überwachung des Pegels am Ausgang eines lokalen Oszillators, einer Quelle oder eines Phasenregelkreises);
– bei wissenschaftlicher Mikrowellenfrequenzinstrumentierung;
– bei bordgestützter oder nicht-bordgestützter militärischer Radarinstrumentierung;
– in der Lebensmittelindustrie (Trocknung, Verkochung und Auftauen) oder in der Herstellung von Rohstoffen (Papierstoff, Kautschuk, ...) mit der Hinzufügung eines Leistungskopplers.

Die Erfindung weist die folgenden Vorteile auf:

a) Niedrige Kosten, da technologisch einfacher als die auf dem aktuellen Markt existierenden Sensoren;
b) Anpassungsfähigkeit an die in den Mikrowellenfrequenzsystemen verwendete Substrattechnologie, in der der Sensor eingesetzt wird (ist jedoch spezieller bestimmt für Systeme, die eine ausreichend große Dielektrizitätskonstante aufweisen, um einen Sensor mit vernünftigen Dimensionen zu behalten);
c) Integrierbarkeit;
d) Intrinsische Linearität (dies ist nicht der Fall für existierende Sensoren);
e) Verschwindende Empfindlichkeit gegenüber Änderungen der Umgebungstemperatur;
f) Bandbreite;
g) Geringes ROS;
h) Direkte Messung des wahren Effektivwerts der Leistung (wie alle thermischen Sensoren).

Claims

Sensor zur direkten Messung der elektromagnetischen Leistung, der eine Führungsstruktur (2) zum Zuführen der Leistung, eine dissipative Last (3) und ein Thermometer aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziges Element die Last (3) und das Thermometer bildet.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsstuktur (2) eine planare Leitung ist, insbesondere ein Mikro-Streifen.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen der Führungsstruktur (2) und der Last (3) mit einer Last (3) verwirklicht ist, die ein Spitzprofil hat.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang (2) zwischen der Führungsstruktur (2) und der Last (3) mit einer Führungsstruktur (2) realisiert ist, die ein Spitzprofil hat.
Verfahren zur Herstellung von Sensoren für die direkte Messung der elektromagnetischen Leistung, das die Herstellung einer Führungsstruktur (2) zum Zuführen der Leistung, einer dissipativen Last (3) und eines Thermometers umfaßt, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziges Widerstandselement hergestellt wird, das die Last (3) und das Thermometer bildet.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen der Führungsstruktur (2) und der Last (3) gemäß einem Spitzprofil hergestellt wird.
Vorrichtung zum Messen der elektromagnetischen Leistung, die einen Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Elemente aufweist, von denen – das eine der Sensor (1) ist, und – das andere zum Regeln der Temperatur des Sensors (1) für die direkte Messung der elektromagnetischen Leistung dient.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Element, das zum Regeln der Temperatur des Sensors (1) dient, eine Einrichtung nach dem Peltier-Effekt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei mit dem Sensor (1) identische Elemente aufweist, von denen jedoch nur eines der elektromagnetischen Welle ausgesetzt wird, deren Leistung gemessen werden soll.