目前,MEMS微波功率传感器在雷达、卫星通信、微波医疗等领域得到了广泛应用。而热电式MEMS微波功率传感器作为主流的微波测量仪,具有线性度好、灵敏度高、功耗低等优点。然而,热电式MEMS微波功率传感器的终端负载电阻产生的热量除了传递到热电堆,还会耗散到周围的环境中,对传感器的输出特性产生不利影响。针对该问题,本文对热电式MEMS微波功率传感器的结构进行优化,建立三维等效电路模型研究传感器的温度分布和时间常数模型,同时本文提出了一种热电式MEMS微波功率传感器的板上芯片封装(COB,Chip on Board)技术,为微波功率传感器的设计提供理论和应用技术支持。本文主要内容包括以下几个部分:(1)优化热电式MEMS微波功率传感器的衬底:负载电阻产生的热量会耗散到衬底,对传感器的输出特性产生影响。采用ANSYS仿真研究衬底的厚度和基底膜的位置、尺寸对温度的影响,据此优化热电式MEMS微波功率传感器的衬底结构。仿真结果表明,优化衬底结构后,传感器的温度提高了26.93 K,其中基底膜结构对传感器温度有显著的影响,10μm的基底膜使传感器的温度提高了20 K左右,基底膜最好置于传感器最小温度的边界处。(2)建立热电式MEMS微波功率传感器的三维等效电路模型:为研究传感器的温度分布和时间常数,根据热-电参数的等效关系,建立了传感器的三维等效电路模型。通过建立的模型,得到以负载电阻为中心的三维温度分布和不同热电偶长度的时间常数。制备热电式MEMS微波功率传感器,测量传感器的灵敏度和时间常数,验证该模型的有效性。(3)研究热电式MEMS微波功率传感器的输出电阻:首先分析热电偶两臂电阻的影响因素,然后测量传感器的输出电阻在不同微波功率和微波频率下的变化。实验结果表明,热电堆的输出电阻随着输入微波功率的增加近似线性增加,但随着微波频率的增加而下降。(4)封装热电式MEMS微波功率传感器:采用COB技术封装传感器,首先建立模型验证该封装方案的可行性,然后对制备好的裸片进行COB封装,最后对封装好的芯片进行测试,测试结果表明,封装好的传感器在X波段回波损耗小于-10.50 d B,微波特性由于绑定金线的电磁耦合效应和微带线到共面波导的无通孔过渡效应而变差。封装前和封装后的灵敏度分别为0.16 m V/m W@10GHz和0.18 m V/m W@10GHz,封装后的灵敏度大于封装前的主要原因是封装前后传感器产生的电流相同,但封装后的阻抗变大,输出电压变大。
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