JP2008503719A

JP2008503719A - マイクロストリップ電力センサ

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Publication number: JP2008503719A
Application number: JP2007516509A
Authority: JP
Inventors: へリック，キャサリン・ジェイ; ベッテンコート，ジョン・ピー; ビールニス，アラン・ジェイ
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2025-05-19
Also published as: DE602005020929D1; EP1756593A1; WO2006007140A1; KR20070037709A; EP1756593B1; JP4902533B2; KR101121773B1; US20050279398A1; US7670045B2

Abstract

誘電体基板と、基板の一方の面に配置されるストリップ導体と、基板の反対側の面に配置される接地面導体とを備えるマイクロストリップ伝送線路を有する、電力センサ。この電力センサは、ストリップ導体から延びる複数の熱電対を含む。この熱電対の近位端部は、ストリップ導体と熱的に結合されている。複数の電気導体が設けられ、各電気導体は、熱電対の対応するものの遠位端に電気的に接続される第１の端部と、熱電対のこの対応するものに隣接して配置される複数の熱電対の１つの近位端に電気的に接続される第２の端部とを有する。熱電対の近位端は、互いに電気的に絶縁されている。

Description

本発明は、電力センサに関し、より詳細には、マイクロ波伝送線路を通過するマイクロ波電力を測定するようになっている電力センサに関する。

当該技術分野で既知のように、複雑で大きな回路及び外部バイアスを使用しない高感度で小さな線形電力センサが必要とされている。電力増幅器とともに高集積化されたセンサは、たとえば、増幅器の性能のあらゆる非効率性を検出するために入力、出力、及び段間ネットワークで有用である。これらのタイプの集積電力センサは、最適な性能に調整可能なシステムで使用することができる。広い帯域幅も、あらゆるシステムがスプリアス信号を検出するのに望ましい特徴である。直接接触サーモパイルを有する集積マイクロストリップベース電力センサによって、サイズの縮小、線形性、無外部バイアス、広帯域動作（２〜１８ＧＨｚ試験）、及び感度の改善に関するこれらの問題が解決される。

電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）メサは、外部バイアスなしで受動的に電力を検出するのに使用することができる。マイクロストリップ等の平面伝送線路は、伝搬するにつれて、熱の形で電力を消散させる。この消散（消費）電力は、初期入力電力値が与えられると、マイクロストリップ線路の単位長あたりの挿入損失に関係する。熱吸収材が、伝送線路の極めて近くに置かれると、消散電力はその熱吸収材を加熱する。熱吸収材がＲＦ伝送線路から最も遠くで冷却されるように熱吸収材を隔離することによって、ＲＦ伝送線路の両端で温度差が大きくなる。熱電対と呼ばれる一定の材料の組み合わせは、この温度勾配に対して検出可能な電圧勾配で応答し、ＲＦマイクロストリップ線路から入力電力についての情報を伝達する。これは、ゼーベック効果に基づいている（温度Ｃごとのボルトで測定される）。ゼーベック効果では、２つの異なる材料に沿った２つの接点間に温度勾配が存在する場合に、それら２つの異なる材料間に電圧が現れる。この手法は、高集積化されて、カプラを必要としない。損失伝送線路は、抵抗損の発生源、すなわち熱源である。これらの熱電対フィンガは、直列に接続されて、感度の増加したサーモパイルが作成される。サーモパイルは、伝送線路の両側に置かれ、全感度は、検出された全電圧を消散電力で除算した、Ｖ／Ｗで表されるものに等しい。感度の増加は、中心導体及び熱接点の下にバルクＧａＡｓ基板をマイクロマシニングするか、又は、局所的にエッチングすることにより熱接点の熱隔離を改善することで得ることができる。感度を増加させるのに使用される他のパラメータは、サーモパイルの個数、サーモパイルの長さ、サーモパイルの幅、サーモパイルのピッチ、及び熱源への近さである。

以下の方程式に示すように、一続きの熱電対についての熱接点と冷接点との間の温度差（Ｔ_ｉ，Ｔ_ｏ）の総和にゼーベック係数（α_ｋ）が乗算されて、サーモパイルの検出電圧（Ｖ_ｏｕｔ）が得られる。感度（Ｓ）は、検出電圧を消散電力で除算したものに等しい。

ゼーベック，α_ｔｃ〜３００μＶ／Ｃ

感度，Ｓ＝Ｖ_ｏｕｔ／Ｐ_ｄｉｓｓ，（Ｖ／Ｗ）
消散電力を求めるために、ＭｏｍｅｎｔｕｍやＨＦＳＳ等の電磁気シミュレーションが使用されて、挿入損失が周波数の関数として求められ、次いで、消散電力が次のように計算される。たとえば、以下の方程式に従って、２Ｗの入力電力が０．５ｄＢの挿入損失を有する線路に印加されると、消散電力レベルは０．２２Ｗとなる。

挿入損失（ｄＢ）＝１０ｌｏｇＰｉｎＰｏｕｔ
Ｐｏｕｔ＝Ｐｉｎ／（１０^{（挿入損失／１０）}）
Ｐｄｉｓｓｉｐａｔｅｄ＝Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ
Ｐｄｉｓｓｉｐａｔｅｄ＝Ｐｉｎ−Ｐｉｎ／（１０^{（挿入損失／１０）}）
参照論文として次のようなものがある。すなわち、Dehe, A.、Fricke-Neuderth, K.、Krozer, V.著「Broadband thermoelectric microwave power sensors using GaAs foundry process」（Microwave Symposium Digest, 2002 IEEE "MTT-S International, Volume: 3, 2002 Page(s): 1829-1832）、Dehe, A.、Hartnagel, H.L.著「Free-standing Al0.30Ga0.70As thermopile infrared sensor」（Device Research Conference, 1995. Digest. 1995 53rd Annual, 19-21 Jun 1995 Page(s): 120-12）、及びDehe, A.；Krozer, V.；Chen, B.；Hartnagel, H.L.著「High-sensitivity microwave power sensor for GaAs-MMIC implementation」（Electronics Letters, Volume: 32 Issue: 23, 7 Nov 1996 Page(s): 2149-215）が参照される。

１つのこのようなタイプの電力センサは、IEEE 1996 Microwave and Milli-meter Wave Monolithic Circuits Symposium, pages 179-181に発表されたA. Dehe他著「GaAs Monolithic Integrated Microwave Power Sensor in Coplanar Waveguide Technology」と題する論文に記載されている。このような論文において、著者らは、５０オームの終端負荷にＡｌＧａＡｓメサを使用したコプレーナ導波路による０．５５Ｖ／Ｗの感度レベルを有する電力センサを示している。いくつかの用途では、より高いレベルの感度を有する電力センサを得ることが望ましい。

発明の概要

本発明によれば、誘電体基板と、基板の一方の面に配置されるストリップ導体と、基板の反対側の面に配置される接地面導体とを備えるマイクロストリップ伝送線路を有する電力センサが提供される。この電力センサは、ストリップ導体から延びる複数の熱電対であって、熱電対の近位端部がストリップ導体と熱的に結合されている、複数の熱電対を含む。

一実施の形態では、電力センサは、複数の電気導体を含み、各電気導体は、熱電対の対応するものの遠位端に電気的に接続される第１の端部と、熱電対のこの対応するものに隣接して配置される複数の熱電対の１つの近位端に電気的に接続される第２の端部とを有する。熱電対の近位端は、互いに電気的に絶縁されている。

一実施の形態では、基板はＩＩＩ−Ｖ族物質から成る。
一実施の形態では、基板はＧａＡｓから成る。
一実施の形態では、熱電対はＩＩＩ−Ｖ族物質から成る。

一実施の形態では、熱電対はＧａＡｓから成る。
一実施の形態では、熱電対は、基板上のメサである。
一実施の形態では、複数の熱電対は、ストリップ導体から垂直に延びる。

一実施の形態では、熱電対の近位端部は、ストリップ導体のエッジ部と重なる関係で配置される。
一実施の形態では、熱電対の近位端部は、ストリップ導体の上に配置され、ストリップ導体に熱的に結合されている。

本発明の別の特徴によれば、電力センサを形成するための方法が提供される。本方法は、半絶縁性の単結晶基板を設けること、基板の面に複数のメサ熱電対を形成することであって、このメサは単結晶物質である、複数のメサ熱電対を形成すること、ストリップ導体を形成することであって、ストリップ導体は、熱電対の近位端部にストリップ導体のエッジ部を有し、この熱電対は、ストリップ導体から外部に延びる、ストリップ導体を形成すること、ストリップ導体上に絶縁層を形成すること、複数の電気導体を形成することであって、各電気導体は、熱電対の対応するものの遠位端に配置されて電気的に接続される第１の端部と、熱電対のこの対応するものに隣接して配置される複数の熱電対の１つの近位端に配置されて電気的に接続される第２の端部とを有し、この複数の電気導体は、絶縁層によって互いに電気的に絶縁され、且つ、ストリップ導体から電気的に絶縁されている、複数の電気導体を形成すること、並びに、基板の反対側の面に接地導体を設けることを含み、上記ストリップ導体、上記基板、及び上記接地面導体は、マイクロストリップ伝送線路を形成する。

本発明では、３つの変更（すなわち、熱電対の熱接点が中心導体の真下に置かれること、メタモルフィック高電子移動度トランジスタ（ＭＨＥＭＴ）メサが熱電対を作製するのに使用されること、及びマイクロストリップベースセンサ）によって、電力センサの感度が改善される。最初に、コプレーナ導波路ではなくマイクロストリップ線路が使用される。感度にとってより重要なことには、利用されるメサが（ＭＨＥＭＴ）構造であり、最後に、サーモパイルのそれぞれの熱接点が、マイクロストリップ線路に隣接して置かれるのではなく、マイクロストリップ線路の真下に置かれることである。モデルは、このように回路の消散電力による熱源である中心導体にさらに近くなることによって、感度が最も大幅に改善されることを示している。

本発明の１つ又は２つ以上の実施の形態の詳細は、添付図面及び以下の説明で述べられる。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、以下の説明及び図面、並びに特許請求の範囲から明らかになるであろう。

さまざまな図面の同じ参照符号は、同じ要素を示す。

発明の詳細な説明

ここで図１及び図２を参照すると、電力センサ１０は、マイクロストリップ伝送線路１２を含む。このマイクロストリップ伝送線路１２は、誘電体基板１４と、基板１４の一方の面、ここでは上面に配置されるストリップ導体１６と、基板１４の反対側の面、ここでは、背面、すなわち下面に配置される接地面導体１８（図２）とを備える。

電力センサ１０は、一対の同一のサーモパイル２０、２２を含む。サーモパイル２０、２２のそれぞれは、基板１４の同じ面、ここでは上面にあり、ストリップ導体１６を挟んで対向する両側（図１の上側及び下側、図２の左側及び右側）にある。サーモパイル２０、２２のそれぞれは、ストリップ導体１６から延びる複数、ここでは７つの細長いフィンガ状の熱電対２４を含む。熱電対２４の近位端部２５（図２により明確に示す）は、ストリップ導体１６のエッジ部２７に熱的に結合されている。

サーモパイル２０、２２のそれぞれは、複数、ここで６つの電気的に絶縁されたＳ形電気導体２８を含む。図２により明確に示すように、各電気導体２８は、熱電対２４の対応するものの遠位端３２に電気的に接続される第１の端部３０と、熱電対２４のこの対応するものに隣接して配置される複数の熱電対の１つの近位端部２５に電気的に接続される第２の端部３６とを有する。熱電対２４の近位端２５は、絶縁層４２（図２）によって相互に電気的に絶縁されている。センサ１０の等価電気回路を図３に示す。

したがって、図３に示すように、サーモパイル２０を考えると、サーモパイル２４の第１のもの、ここでは２４ａとラベル付けしたものは、その遠位端３２がＳ形電気導体２８の１つ、ここでは２８ａとラベル付けされたものの第１の端部３０に電気的に接続されている。電気導体２８ａの第２の端部３６は、熱電対２４の隣接したもの、ここでは２４ｂとラベル付けされたものの近位端２５に電気的に接続されている。各熱電対２８は、その両端の温度差に応じた電圧Ｖを発生することに留意されたい。このような温度差は、ストリップ伝送線路１２（図１及び図２）を通過するＲＦ電力量に関係している。電圧Ｖの極性は、図３に示すように、サーモパイル２８の遠位端３２において同じであり、サーモパイル２８の近位端２５において電圧Ｖの極性（ここでは、−とラベル付けされている）に対して逆である（ここでは、＋とラベル付けされている）ことに留意されたい。サーモパイルの電気導体は、個々のサーモパイル２０、２２によって発生される電圧Ｖを直列に接続する。２つのサーモパイル２０、２２の直列に接続される電圧は、それ自体、電気導体５０によって直列に接続される。このような導体５０は、図１に示すように、ストリップ導体１６にわたりエアブリッジとして形成される。ここではＶの１４倍である全電圧が、パッド５２、５４、すなわちパッド５２に現れる。

ここで、基板１４（図２）は、単結晶のＩＩＩ−Ｖ族物質、ここではＧａＡｓである。サーモパイルは、図示しないエピタキシャル層を有するＧａＡｓ物質から成る。ここで、熱電対１４は、基板１４上のメサであり、ストリップ導体１６から垂直に延びる。ここで、図２を参照すると、熱電対２８の近位端部２５は、ストリップ導体１６のエッジ部２７と重なる関係で配置されている。より詳細には、ここでは、熱電対の近位端部２５は、ストリップ導体１６の下に配置され、ストリップ導体１６に熱的に結合されている。

電力センサ１０は、ここでは、以下の方法によって形成される。半絶縁性の単結晶基板１４が設けられる。複数のＧａＡｓメサが、その基板の表面上に形成されて、熱電対２４が設けられる。ストリップ導体１６が、その構造の表面に配置され、次いで、パターン化されて、ストリップ導体１６のエッジ部２７が熱電対２４の近位端部２５上に配置される。上述したように、熱電対２４は、ストリップ導体１６から外側（ここでは、ストリップ導体１６に垂直）に延びる。絶縁層４２が、配置されて、ストリップ導体１６の表面にわたって配置されるようにパターン化される。パターン化は、図２に示すように、熱電対２４のエッジ部（すなわち、熱電対２４の近位端２５及び遠位端３２に隣接した熱電対２４の部分）を露出させることに留意されたい。

複数の電気導体２８が形成される。各電気導体２８は、図３に関して例示の熱電対２４ａ、２４ｂについて上述したように、熱電対２４の対応するものの遠位端３２に配置されて、当該遠位端３２に電気的に接続される第１の端部２８と、熱電対２４の上記対応するものに隣接して配置される複数の熱電対２４の１つの近位端２５に配置されて、当該近位端２４に電気的に接続される第２の端部３６とを有する。複数の電気導体２８は、絶縁層１６（図２）によって相互に電気的に絶縁され、且つ、ストリップ導体１６から電気的に絶縁されている。接地導体１８（図２）は、基板１４の反対側の面に設けられ、上記ストリップ導体１６、上記基板１４、及び上記接地面導体１８が、マイクロストリップ伝送線路１２を形成することに留意されたい。接地面導体１８は、メサ熱電対２４の形成前に形成することもできるし、形成後に形成することもできることに留意されたい。

上述したサーモパイルベース電力センサは、中心（すなわち、ストリップ）導体の真下に熱接点フィンガ（hot junction finger）を有するＭＨＥＭＴ構造で設計、モデル化、製造、及び試験されたものである。また、非マイクロマシニング終端マイクロストリップサーモパイルの通常の性能も示されている。２つの異なる設計について、入力ドライブが−１５ｄＢｍから＋２０ｄＢｍまで変化する場合の２ＧＨｚ、１０ＧＨｚ、及び１８ＧＨｚにおける測定値によって、１Ｖ／Ｗまでの線形応答及び感度レベルが与えられる。

この電力センサは、熱電対が、熱吸収を最大にするために、マイクロストリップ伝送線路の極めて近くに配置されているだけでなく、マイクロストリップ伝送線路の真下に配置されているマイクロストリップ伝送線路を使用する。熱隔離を改善するためのＧａＡｓ基板のマイクロマシニングも、局所的エッチングもなしに、本発明による測定結果は、１．１Ｖ／Ｗ程度となる。一方、報告されているこれまでの結果は、〜０．５５Ｖ／Ｗであった。マイクロマシニングは、もちろん、感度をさらに一層改善することになるが、本発明で示すようなマイクロマシニングを伴わない感度の改善によって、最も簡単な製造及び十分な強度を有する基板が可能になる。

直接接触サーモパイルを有する集積マイクロストリップベース電力センサによって、サイズの縮小、直線性、無外部バイアス、広帯域動作（２〜１８ＧＨｚ試験）、及び感度の改善に関するこれらの問題が解決される。より高い感度レベル（２Ｖ／Ｗ）を達成するために、ＧａＡｓの局所エリアが、熱接点の下にエッチング又はマイクロマシニングされており、これによって、より良い熱隔離が提供されている。

本発明の多数の実施の形態を説明してきた。それにもかかわらず、本発明の精神及び範囲から逸脱することなくさまざまな変更を行うことができることが理解されよう。したがって、他の実施の形態も、特許請求の範囲の範囲に含まれる。

本発明による電力センサの平面略図である。図１のライン２−２に沿ってとられた図１の電力センサの断面図である。図１及び図２の電力センサの概略図である。

Claims

電力センサであって、
誘電体基板と、
前記基板の一方の面に配置されるストリップ導体と、
前記基板の反対側の面に配置される接地面導体と、
を備えるマイクロストリップ伝送線路と、
前記ストリップ導体から延びる複数の熱電対であって、該熱電対の近位端部が前記ス
トリップ導体と熱的に結合されている、複数の熱電対と、
から構成される電力センサ。
複数の電気導体を含み、各電気導体は、前記熱電対の対応するものの遠位端に電気的に接続される第１の端部と、前記熱電対の対応するものに隣接して配置される前記複数の熱電対の１つの前記近位端に電気的に接続される第２の端部とを有する、請求項１に記載の電力センサ。
前記熱電対の前記近位端は互いに電気的に絶縁されている、請求項２に記載の電力センサ。
前記基板はＩＩＩ−Ｖ族物質から成る、請求項３に記載の電力センサ。
前記基板はＧａＡｓから成る、請求項４に記載の電力センサ。
前記熱電対はＩＩＩ−Ｖ族物質から成る、請求項５に記載の電力センサ。
前記熱電対はＧａＡｓから成る、請求項６に記載の電力センサ。
前記熱電対は前記基板上のメサである、請求項７に記載の電力センサ。
前記複数の熱電対は、前記ストリップ導体から垂直に延びる、請求項８に記載の電力センサ。
電力センサであって、
誘電体基板、
前記基板の一方の面に配置されるストリップ導体、
前記基板の反対側の面に配置される接地面導体、
を備えるマイクロストリップ伝送線路と、
前記ストリップ導体のエッジ部から延びる複数の熱電対であって、該熱電対の近位端部が前記ストリップ導体の前記エッジ部と重なる関係で配置されている、複数の熱電対と、
から構成される電力センサ。
複数の電気導体を含み、各電気導体は、前記熱電対の対応するものの遠位端に電気的に接続される第１の端部と、前記熱電対の対応するものに隣接して配置される前記複数の熱電対の１つの前記近位端に電気的に接続される第２の端部とを有する、請求項１０に記載の電力センサ。
前記熱電対の前記近位端は互いに電気的に絶縁されている、請求項１１に記載の電力センサ。
前記基板はＩＩＩ−Ｖ族物質から成る、請求項１２に記載の電力センサ。
前記基板はＧａＡｓから成る、請求項１３に記載の電力センサ。
前記熱電対はＩＩＩ−Ｖ族物質から成る、請求項１４に記載の電力センサ。
前記熱電対はＧａＡｓから成る、請求項１５に記載の電力センサ。
前記熱電対は前記基板上のメサである、請求項１６に記載の電力センサ。
前記複数の熱電対は、前記ストリップ導体の前記エッジ部から垂直に延びる、請求項１７に記載の電力センサ。
電力センサであって、
誘電体基板と、
前記基板の一方の面に配置されるストリップ導体と、
前記基板の反対側の面に配置される接地面導体と、
を備えるマイクロストリップ伝送線路と、
前記ストリップ導体から延びる複数の熱電対であって、該熱電対の近位端部が前記ストリップ導体上に配置されて、前記ストリップ導体に熱的に結合されている、複数の熱電対と、
から構成される電力センサ。
複数の電気導体を含み、各電気導体は、前記熱電対の対応するものの遠位端に電気的に接続される第１の端部と、前記熱電対の対応するものに隣接して配置される前記複数の熱電対の１つの前記近位端に電気的に接続される第２の端部とを有する、請求項１９に記載の電力センサ。
前記熱電対の前記近位端は互いに電気的に絶縁されている、請求項２０に記載の電力センサ。
前記熱電対の前記近位端部は、前記ストリップ導体のエッジ部の上に配置され、該ストリップ導体の該エッジ部に熱的に結合されている、請求項２１に記載の電力センサ。
前記熱電対は前記基板上のメサである、請求項２２に記載の電力センサ。
前記複数の熱電対は、前記ストリップ導体の前記エッジ部から垂直に延びる、請求項２３に記載の電力センサ。
電力センサを形成する方法であって、
半絶縁性の単結晶基板を設け、
前記基板の面に複数のメサ熱電対を形成し、該メサは単結晶物質であり、
前記熱電対の近位端部にストリップ導体のエッジ部を有して、ストリップ導体を形成し、前記熱電対は前記ストリップ導体から外部に延び、
前記ストリップ導体上に絶縁層を形成し、
複数の電気導体を形成し、各電気導体は、前記熱電対の対応するものの遠位端に配置されて電気的に接続される第１の端部と、前記熱電対の対応するものに隣接して配置される前記複数の熱電対の１つの前記近位端に配置されて電気的に接続される第２の端部とを有し、前記複数の電気導体は、前記絶縁層によって互いに電気的に絶縁され、且つ、前記ストリップ導体から電気的に絶縁され、並びに
前記基板の反対側の面に接地導体を設ける、
ことを含み、前記ストリップ導体、前記基板、及び前記接地面導体は、マイクロストリップ伝送線路を形成する、電力センサを形成する方法。