FI118490B

FI118490B - Mikromekaaninen anturi mikroaaltotehon mittaamiseen

Info

Publication number: FI118490B
Application number: FI20040903A
Authority: FI
Inventors: Heikki Seppae; Jukka Kyynaeraeinen
Original assignee: Valtion Teknillinen
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2007-11-30
Also published as: US20080068031A1; FI20040903A; US7548074B2; WO2006000622A1; US20090219036A1; EP1761787B1; US7808254B2; EP1761787A1; FI20040903A0

Description

118490

Mikromekaaninen anturi mikroaaltotehon mittaamiseen

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen mikromekaaninen anturi millimetri- tai mikroaaltotehon mittaamiseen.

5 Tällaiset komponentit käsittävät tyypillisesti aaltolinjan millimetri- tai mikroaaltotehon johtamiseksi sekä liikkumaan sovitetun osan ja kiinteän elektrodin siten, että liikkumaan sovitetun osan ja kiinteän elektrodin välinen kapasitanssi kytkeytyy aaltolinjassa etenevään aaltotehoon. Tällöin kapasitanssin kytkeytymisellä aaltolinjassa etenevään millimetri- tai mikroaaltotehoon tarkoitetaan sitä, että aaltotehoon liittyvä jännite 10 aiheuttaa voiman kapasitanssissa. Aiheutunut voima pyrkii poikkeuttamaan komponentin liikkuvaa osaa.

Tämän tyyppisessä mikroaaltotehon mittausanturissa on se etu, että anturi ei juurikaan kuluta tehoa. Tämä perustuu siihen, että mittausperiaate sinänsä ei perustu tehon kuluttamiseen vaan teho pyritään johtamaan anturin läpi. Mittausanturiin toki 15 absorboituu hieman mikroaaltotehoa, mutta tehonkulutus muodostuu pääosin siitä, että anturi heijastaa osan mikroaaltotehosta mikroaaltolinjassa takaisinpäin. Anturin • · · : ·' heijastuskerroin vaikuttaa siis oleellisesti anturin tehonkulutukseen. Heijastuskertoimen • · johdosta anturin soveltuva taajuuskaista jää suhteellisen pieneksi.

• » · * · ♦ Γ**: Keksinnön tarkoituksena on parantaa anturin ominaisuuksia siten, että heijastuskerroin "*j* 20 säilyisi suhteellisen pienenä laajemmalla taajuuskaistalla.

··· e · • ·

Keksintö perustuu siihen, että anturin liikkumaan sovitetun osan ja kiinteän elektrodin • ·, välinen kapasitanssi jaetaan vähintään kahteen osaan, jotka sijaitsevat välimatkan päässä • ·· .···. toisistaan siten, että aaltolinjassa etenevä millimetri- tai mikroaaltoteho kytkeytyy • · im ,·. kapasitanssin jako-osiin perätysten ja kokee kapasitanssin jako-osien välillä • · · 25 induktiivisen kuorman.

• · • * • · . ·. : Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle anturille on tunnusomaista se, mikä on * · · • · : esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

• « 2 118490

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja. Keksinnön avulla voidaan nimittäin oleellisesti laajentaa anturin taajuuskaistaa, jolla heijastuskerroin säilyy kohtuullisen pienenä.

Näin ollen keksintö mahdollistaa useita edullisia sovellusmuotoja. Anturia voidaan 5 esimerkiksi käyttää myös millimetriaaltoalueella. Anturilla onkin runsaasti sovelluskohteita esimerkiksi matkapuhelimissa ja muissa laitteissa, joissa tarvitaan millimetri- tai mikroaaltoteholle herkkiä antureita.

Keksintöä tarkastellaan seuraavassa esimerkkien avulla ja oheisiin piirustuksiin viitaten. Kuvattujen esimerkkien tarkoitus on havainnollistaa keksinnön sovellusmuotojen 10 ominaisuuksia ja selvittää keksinnön teoreettista taustaa. Esimerkit eivät rajoita suojapiiriä, joka on määritelty patenttivaatimuksissa.

Kuvio 1 kuvaa yhden sovellusmuodon mukaisen järjestelyn sähköisen sijaiskytkennän. Kuvio 2 kuvaa toisen sovellusmuodon mukaisen järjestelyn.

On hyvin tunnettua, että mikromekaanisen komponentin yli syntyvä jännite aiheuttaa 15 jännitteen tehollisarvoon verrannollisen voiman. Mittaamalla voiman aiheuttama liike, voimme päätellä esim. mikroaaltotaajuisen jännitteen tehollisarvon suuruuden. Kahden • · . * * *. j ohtavan levyn välinen voima voidaan kiij oittaa muotoon

• •I

IM * * · r ··. F =_T2__[72 2{d~xf • · · * • · · · :***: missä Co on lepotilassa olevan komponentin kapasitanssi, d metallilevyjen välinen • · 20 etäisyys ilman ulkoisia voimia ja x jännitteestä aiheutuvan voiman synnyttämä liike.

M • ·

• M

Jos mitattava teho kulkee aaltolinjassa, jonka aaltoimpedanssi on tunnettu, voimme ♦ · * I * määrittää j ännitteen tehollisarvon perusteella aaltolinjassa etenevän suurtaaj uisen tehon.

• · • · · *·*·* Koska voimaa mittaava elementti synnyttää linjaan kapasitanssin, se aiheuttaa • · *”·’ mikroaalto tehon heijastumista. Tehon heijastuksesta seuraa se, että mitta-anturin taikka • · ·.*·· 25 mittausalue jää erittäin kapeaksi. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että anturia voidaan • · ·.**: käyttää ainoastaan taajuuskaistalla, joka on selvästi pienempi kuin siirtolinjan impedanssin ja kapasitanssin muodostaman RC piirin kaista. Teoreettinen taajuuskaista toteuttaa yhtälön 3 118490

Δ5 = — nCZ

missä Z on siirtolinjan aaltoimpedanssi ja C on mikromekaanisen tehoanturin synnyttämä kapasitanssi. On huomattava, että oletamme tässä, että mitta-anturi on kytketty sekä sovitettuun teholähteeseen että tehosovitettuun kuormaan. Periaatteessa 5 voisimme pienentää mittaukseen tarvittavaa kapasitanssia, mutta laitteen resoluution (pienin havaittava jännitteen tehollisarvon muutos) riippuu ratkaisevasti kapasitanssin suuruudesta. Mitä suurempi pinta-ala ja mitä kapeampi rako, sitä parempi resoluutio saavutetaan. Tämä näkyy yhtälöstä siten, että näin voimme maksimoida jännitteestä syntyvän voiman.

10 Tässä keksinnössä tuodaan esiin yksinkertainen menetelmä saavuttaa suhteellisen pieni heijastuskerroin ja sitä kautta hyvä mittatarkkuus koko teoreettisen maksimikaistan yli. Oletetaan, että riittävän resoluution edellyttämän kapasitanssin arvo on C. Oletetaan lisäksi, että jaamme tämän kapasitanssin n:ään osaan. Kapasitanssit asetetaan siten, että mikroaallon aallonpituus on pidempi kuin kondensaattoreiden etäisyys toisistaan. 15 Tämän lisäksi asetamme keloja kapasitanssien välille. Nämä mitoitetaan siten, että minimoimme heijastuskertoimen koko kaistalla ΔB yli. Käytännössä optimointi kannattaa tehdä hiukan pienemmän kaistan yli kuin teoreettinen maksimikaista mahdollistaa. Järjestely johtaa anturiin, jossa heijastuksesta syntyvä virhe minimoituu, mutta resoluutio ei heikkene. Hyödyllistä on myös se, että kaikkien kondensaattoreiden ·· · : V 20 yli syntyvä voima liikuttaa yhtä mikromekaanista rakennetta. Tämä johtaa siihen, että *·..* meidän tarvitsee mitata syntynyt liike tai voima vain yhden liikkuvan komponentin yli.

··· • · · • · · .**·. Kuviossa 1 on esitetty periaatekuva tehomittarista, missä mittaava elektrodi on jaettu ··* ··· kolmeen osaan. Kapasitanssit C/n ovat sähköisesti erillisiä, mutta mekaanisesti kiinni ···· toisissaan. Kapasitanssin C jakaminen useampaan osaan C/n parantaa tilannetta, mutta 25 käytännössä jossain vaiheessa komponentin häviöt kasvavat liian suuriksi. Toisaalta on ;.· · helppo osoittaa, että kondensaattorin jakaminen hajakapasitanssia Cs pienemmäksi ei ··· kannata. Käytännössä optimaalinen n on luokkaa 3-6. Perussääntö on se, että mitä suurempi taajuuskaista halutaan, sen pienempi kokonaiskapasitanssi joudutaan • · :***: valitsemaan ja sitä pienempi n. Esim. tehoanturissa, joka kattaa taajuusalueen 0 - 40 .·. : 30 GHz, kolmeen osaan jaettu kapasitanssi johtaa kokemustemme mukaan hyvään • ·· • m lopputulokseen.

• · 4 118490

Edellä kuvattu menetelmä johtaa lopputuloksena teräväreunaiseen kaistapäästö suodattuneen. On kuitenkin oleellista huomata, että tässä laitteessa menetelmä jäljestää keloja 1 ja kapasitansseja siirtolinjaan on enemmän kuin vain suodattimen rakentaminen. Tämä siksi, että tässä tapauksessa saavutamme hyvän mittausresoluution 5 yli koko mitattavan taajuuskaistan. Toisaalta oleellista on, että jaetut kapasitanssielementit ovat tässä ratkaisussa kiinni toisissaan mekaanisesti ja liikkuvat yhdessä mikroaaltotehon vaikutuksesta.

Kuvassa 2 on esitetty eräs konstruktio tehoanturista. Kuvassa on huomionarvoista se, että jaetun kapasitanssin lisäksi siirtolinjan maalinja maadoittaa liikkuvan rakenteen. 10 Tämä on merkittävää siksi, että jos asettaisimme mikroaaltojännitteen liikkuvan ja kiinteän elektrodin väliin, joutuisi mikroaaltotaajuinen virta kulkemaan liikkuvaan osaan sitä kannattavan jousen läpi. Koska jousi on ohut ja sitä ei mielellään metalloida jännitysten välttämiseksi, syntyisi jousessa suuri tehohäviö. Toisaalta kun liikkuva osa on mikroaaltolinjan maapotentiaalissa, pystymme järjestelyllä eliminoimaan sen, että 15 mikroaaltoteho ei pääse vuotamaan muualle komponenttiin. Kaikki nämä jäijestelyt parantavat komponentin mittatarkkuutta.

·· 9 • · · • · • · ·*· • m • · ··· • * · • * * ··* * * • · ··· «·· 9 • 999 ··· • · • 99 9 · 9 · · • 99 999 9 999 9 · • 9 9 99 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 • 99 9 9 9 9 • 99 • • 9 9·· • 99 9 9 9 9 9 9 9 • 99 9 9

Claims

118490

1. Mikromekaaninen anturi millimetri- tai mikroaaltotehon mittaamiseen, joka anturi käsittää aaltolinjan millimetri- tai mikroaaltotehon johtamiseksi sekä liikkumaan sovitetun osan ja kiinteän elektrodin siten, että liikkumaan sovitetun osan ja kiinteän 5 elektrodin välinen kapasitanssi (C) kytkeytyy aaltolinjassa etenevään aaltotehoon, tunnettu siitä, että liikkumaan sovitetun osan ja kiinteän elektrodin välinen kapasitanssi (C) jaetaan vähintään kahteen osaan (C/n), jotka sijaitsevat välimatkan päässä toisistaan siten, että aaltolinjassa etenevä aaltoteho kytkeytyy kapasitanssin (C) jako-osiin (C/n) perätysten ja kokee kapasitanssin (C) jako-osien (C/n) välillä induktiivisen kuorman (1).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen anturi, tunnettu siitä, että kukin kapasitanssin (C) jako-osien (C/n) välinen välimatka on pienempi kuin aaltolinjassa etenevän millimetri- tai mikroaaltotehon aallonpituus.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen anturi, tunnettu siitä, että kapasitanssin (C) peräkkäisten jako-osien (C/n) väliset välimatkat ovat oleellisesti yhtä suuret

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen anturi, tunnettu siitä, että jako-osien (C/n) kapasitanssit ovat keskenään oleellisesti yhtä suuret. ·· · a · a · • « .**·.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen anturi, tunnettu siitä, että voimat, ··· ;*·*; jotka syntyvät millimetri- tai mikroaaltotehon kytkeytyessä kapasitanssin (C) jako-osiin m :' ’ *: (C/n), liikuttavat kaikki yhtä j a samaa liikkumaan sovitettua osaa. mmm mmm "" 20

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen anturi, tunnettu siitä, että • a a a *** kapasitanssin (C) jako-osat (C/n) ovat sähköisesti erillisiä mutta kytkeytyvät .. mekaanisesti toisiinsa. • a a mm m mmm ϊ,,.ί

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen anturi, tunnettu siitä, että a ·*;*· kapasitanssin (C) jako-osien (C/n) lukumäärä on välillä 3-6. a a mmm m m

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen anturi, tunnettu siitä, että aaltolinja m a •. * ♦ · käsittää maalinj an, j oka maadoittaa liikkumaan sovitetun osan. a a a a a • aa a a

9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen anturi, tunnettu siitä, että aaltolinja käsittää maalinjan, joka maadoittaa kapasitanssin (C) jako-osat (C/n). 118490

10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukainen anturi, tunnettu siitä, että jako-osien (C/n) välisen induktiivisen kuorman suuruus asetetaan suhteessa kapasitanssin jako-osan (C/n) suuruuteen siten, että millimetri- tai mikroaaltotehon heijastuskerroin halutulla taajuuskaistalla on alle 0,2 ja mieluummin alle 0,1. 5 ·· 1 • · « • · • · *·· • · • · ··· «·« • · 9 9 9 9 9 ··· • m 9 1 ··· ···· ·1· • · • · ·»· «·· ··1· ··· • 1 • · «·· • · • 1 · *·· ··· • · ··· «·« • · • 1 · • 9 9 9 9 9 ·· * · 118490