基于悬臂梁的d33的压电式微波功率传感器制造技术

本发明专利技术是一种基于悬臂梁的d33的压电式微波功率传感器，传感器包括高阻硅衬底，衬底上设置有共面波导传输线和压电悬臂梁，共面波导传输线包括中心信号线和地线，地线设置在中心信号线的两侧，压电悬臂梁通过桥墩固定在中心信号线和一侧的地线之间，压电悬臂梁的一端加载质量块，在压电悬臂梁上、未加载质量块的上方附着介质层，在介质层的上方设置有压电材料层，在压电材料层的顶端设置叉指电极。器件工作时悬臂梁受到静电力下拉，根据压电效应，压电悬臂梁上方的叉指电极将之间将产生电压，该电压与微波功率一一对应，因此通过测量电压即可得到微波信号的功率。本发明专利技术易于集成且被测参数以电信号形式直接输出，后级检测电路简单。

Piezoelectric microwave power sensor based on cantilever d33

The present invention is a piezoelectric microwave power sensor based on a cantilever beam of d33. The sensor includes a high resistance silicon substrate. A coplanar waveguide transmission line and a piezoelectric cantilever beam are arranged on the substrate. The coplanar waveguide transmission line includes a central signal line and a ground wire. The ground wire is set on both sides of the central signal line. The piezoelectric cantilever beam is fixed through the pier. Between the central signal line and the ground wire on one side, a mass block is loaded at one end of the piezoelectric cantilever beam, the dielectric layer is attached above the piezoelectric cantilever beam and the unloaded mass block. The piezoelectric material layer is set above the medium layer, and the cross finger electrode is set at the top of the piezoelectric material layer. When the device works, the cantilever beam is pulled down by the static electric power. According to the piezoelectric effect, the cross finger electrode above the piezoelectric cantilever will produce voltage. The voltage corresponds to the microwave power one by one, so the power of the microwave signal can be obtained by measuring the voltage. The invention is easy to integrate, and the measured parameters are directly output in the form of electrical signals, and the post stage detection circuit is simple.

【技术实现步骤摘要】
基于悬臂梁的d33的压电式微波功率传感器
本专利技术涉及微电子机械系统
，具体涉及一种基于悬臂梁的d33压电式微波功率传感器。
技术介绍
在微电子机械系统（MEMS）的微波研究中，微波功率是表征微波信号的一个重要参数。在微波信号的产生、传输及接收各个环节的研究中，微波功率的检测是必不可少的。最常见的微波功率检测器是基于悬臂梁结构的电容式微波功率传感器，如一种多悬臂梁结构微波功率传感器（专利号：201310184504.9），MEMS悬臂梁式在线微波功率传感器及其制备方法（专利号：201010223806.9）。悬臂梁一端固定，当微波信号从共面波导传输时，会在共面波导与悬臂梁之间产生静电力，悬臂梁另一端下拉，悬臂梁与测试电极之间的电容值发生变化，从而进行微波功率的测量。然而，电容式微波功率传感器的输出有非线性，其寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，联接电路较复杂等。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于悬臂梁的d33压电式微波功率传感器，该微波功率传感器利用压电效应，产生与微波功率一一对应的电信号，从而进行测量，具有较宽的电能输出范围、结构简单、直接测量等特点，解决上述问题并大大提高灵敏度。为了达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术是一种基于悬臂梁的d33的压电式微波功率传感器，传感器包括高阻硅衬底，在高阻硅衬底上设置共面波导传输线和压电悬臂梁，共面波导传输线包括中心信号线和地线，地线设置在中心信号线的两侧，压电悬臂梁通过桥墩固定在中心信号线和一侧的地线之间，压电悬臂梁的一端加载质量块，在压电悬臂梁上、未加载质量块的上方附着介质层，在介质层的上方设置有压电材料层，在压电材料层的顶端设置叉指电极，当微波信号在共面波导传输时，压电悬臂梁受静电力下拉，压电材料层随之产生形变，根据压电效应，压电材料层上电荷的分布发生变化，产生与微波功率一一对应的电压，通过检测电压进行微波功率的检测。本专利技术的进一步改进在于：压电悬臂梁为铜、铝或钛制成的压电悬臂梁。本专利技术的进一步改进在于：桥墩为多晶硅、铝、铜、钨或钛制成的桥墩。本专利技术的进一步改进在于：质量块为镍、钴、铝或铜制成的质量块。本专利技术的进一步改进在于：介质层为ZrO2、SiO2、Si3N4或云母制成的介质层。本专利技术的进一步改进在于：压电材料层为ZnO、PZT-5系列或AlN制成的压电材料层。本专利技术的进一步改进在于：叉指电极为铂、金、铜、钛或者铝制成的叉指电极。本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术采用悬臂梁结构，具有结构刚度低，结构简单，开路电压大，容易通过微细加工实现等优点；（2）本专利技术利用压电效应实现悬臂梁位移——电信号的转换，实际测量参数以电信号直接输出，可以直接测量，降低了转换电路的复杂度；（3）本专利技术的压电式微波功率传感器工作在d33模式下，利用压电效应将梁位移变化产生的应力转换为电信号有较高的输出电压，因此具有较高的测量精度；（4）本专利技术采用密度较大的金属块放置在悬臂梁的末端，用于增大悬臂梁的位移幅度，同时降低谐振频率。本专利技术是基于MEMS技术，具有MEMS的基本优点，如体积小、重量轻、功耗低，便于集成等，这一系列优点是传统的微波功率检测器无法比拟的，因此它具有很好的研究和应用价值。本专利技术所述的微波功率传感器结构新颖、易于集成且被测参数以电信号形式直接输出，后级检测电路简单等诸多特点。附图说明图1是本专利技术的附图。图2是本专利技术的侧视图。图3是本专利技术压电悬臂梁的俯视图。图4是本专利技术压电悬臂梁的部分侧向截面图。其中：1-中心信号线；2-地线；3质量块；4-压电悬臂梁；5-介质层；6-叉指电极；7-压电材料层。具体实施方式为了加深对本专利技术的理解，下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本专利技术，并不对本专利技术的保护范围构成限定。如图1-4所示，本专利技术是一种基于悬臂梁的d33的压电式微波功率传感器，传感器相比于传统的传感器具有更高的输出电压，灵敏度高，结构简单，易于集成等优点，所述传感器包括高阻硅衬底，在所述高阻硅衬底上设置共面波导传输线和压电悬臂梁4，所述共面波导传输线包括中心信号线1和地线2，所述地线2设置在所述中心信号线1的两侧，所述压电悬臂梁4通过桥墩固定在中心信号线1和一侧的所述地线2之间，所述压电悬臂梁4的一端加载质量块3，在所述压电悬臂梁4上、未加载所述质量块3的上方附着介质层5，在所述介质层5的上方设置有压电材料层7，在所述压电材料层7的顶端设置叉指电极6，当微波信号在共面波导传输时，所述压电悬臂梁4受静电力下拉，压电材料层7随之产生形变，根据压电效应，压电材料层7上电荷的分布发生变化，产生与微波功率一一对应的电压，通过检测电压进行微波功率的检测。所述压电悬臂梁4为铜、铝或钛制成的压电悬臂梁；所述桥墩为多晶硅、铝、铜、钨或钛制成的桥墩；所述质量块3为镍、钴、铝或铜制成的质量块，用于降低谐振频率，增大悬臂梁位移；所述介质层5为ZrO2、SiO2、Si3N4或云母制成的介质层。用于隔离金属悬臂梁与压电材料层；所述压电材料层7为ZnO、PZT-5系列或AlN制成的压电材料层，压电材料层工作在d33模式下，用于在外力作用下产生正压电效应，压电材料工作在d33模式下，叉指电极用于接收压电效应产生的电荷，介质层层作为绝缘层可以阻挡压电层产生的电荷泄露；所述叉指电极6为铂、金、铜、钛或者铝制成的叉指电极，用于收集正压电效应产生的电荷。本专利技术的工作原理是：当微波信号在CPW上传输时，位于中心信号线上方的压电悬臂梁会产生静电力，从而使压电悬臂梁产生位移，压电悬臂梁的表面将产生应力变化，根据压电效应，压电材料产生电荷流动，压电悬臂梁上方的叉指电极将之间将产生电压，该电压与微波功率一一对应，因此通过测量电压即可得到微波信号的功率。本专利技术所传感器的压电材料采用d33方式极化，即叉指电极用于接收压电效应产生的电荷，并使得电荷极化的方向与固支梁所受应力方向垂直。为了进一步提高输出电压的值从而进一步提升检测精度，本专利技术需要在工作是产生足够大的机械应力和应变转换为电能，因此，通过悬臂梁末端加载一定重量的镍质量块。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于悬臂梁的d33的压电式微波功率传感器，其特征在于：所述传感器包括高阻硅衬底，在所述高阻硅衬底上设置共面波导传输线和压电悬臂梁（4），所述共面波导传输线包括中心信号线（1）和地线（2），所述地线（2）设置在所述中心信号线（1）的两侧，所述压电悬臂梁（4）通过桥墩固定在中心信号线（1）和一侧的所述地线（2）之间，所述压电悬臂梁（4）的一端加载质量块（3），在所述压电悬臂梁（4）上、未加载所述质量块（3）的上方附着介质层（5），在所述介质层（5）的上方设置有压电材料层（7），在所述压电材料层（7）的顶端设置叉指电极（6），当微波信号在共面波导传输时，所述压电悬臂梁（4）受静电力下拉，压电材料层（7）随之产生形变，根据压电效应，压电材料层（7）上电荷的分布发生变化，产生与微波功率一一对应的电压，通过检测电压进行微波功率的检测。

【技术特征摘要】
1.一种基于悬臂梁的d33的压电式微波功率传感器，其特征在于：所述传感器包括高阻硅衬底，在所述高阻硅衬底上设置共面波导传输线和压电悬臂梁（4），所述共面波导传输线包括中心信号线（1）和地线（2），所述地线（2）设置在所述中心信号线（1）的两侧，所述压电悬臂梁（4）通过桥墩固定在中心信号线（1）和一侧的所述地线（2）之间，所述压电悬臂梁（4）的一端加载质量块（3），在所述压电悬臂梁（4）上、未加载所述质量块（3）的上方附着介质层（5），在所述介质层（5）的上方设置有压电材料层（7），在所述压电材料层（7）的顶端设置叉指电极（6），当微波信号在共面波导传输时，所述压电悬臂梁（4）受静电力下拉，压电材料层（7）随之产生形变，根据压电效应，压电材料层（7）上电荷的分布发生变化，产生与微波功率一一对应的电压，通过检测电压进行微波功率的检测。2.根据权利要求1所述基...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆颢瓒，戴瑞萍，王其鹏，王德波，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32