基于复合拱形梁的微波功率传感器制造技术

本发明专利技术涉及基于复合拱形梁的微波功率传感器，包括衬底、共面波导传输线和复合拱形梁；衬底上中间设置共面波导传输线且两边设置地线，复合拱形梁通过锚区固定在地线上且位于复合拱形梁下方；复合拱形梁由中间的弹性材料及上下包裹的石墨烯薄膜构成，上层石墨烯薄膜和下层石墨烯薄膜的一侧通过锚区相连，另一侧设置两个输出端口，上层石墨烯薄膜和下层石墨烯薄膜各连接一个输出端口。本发明专利技术克服了传统梁结构由于本身物理性质的限制不能增加梁长度的问题，不仅极大地提高了传感器的灵敏度，并且由于拱形结构本身的物理性质，还能提高微波信号检测功率的精度和系统本身的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
基于复合拱形梁的微波功率传感器
本专利技术属于微波功率传感器
，具体涉及基于复合拱形梁的微波功率传感器。
技术介绍
在微波的信号产生、传输及接受等各个环节的研究中，微波功率的测量是必不可少的基本测试技术。目前，最常见的是表面水平的固支梁结构的微波功率传感器，当微波信号进入时会产生静电力使固支梁弯曲，从而导致电容发生变化，最终得到微波功率。理论上梁结构的长度越长，功率传感器的灵敏度越高，性能越好。但是由于传统固支梁本身物理性质的限制不能够加工的很长，否则结构不稳定容易坍塌。传统梁结构的瓶颈导致传统传感器不能兼顾高灵敏度和良好的结构稳定性，所以传统微波功率传感器的性能不够完善，要么灵敏度不够高，要么梁结构不够稳定。中国专利CN108362936A(专利申请号：201810385519.4)公开了一种基于固支梁的d31的压电式微波功率传感器，传感器包括高阻硅衬底，在高阻硅衬底上设有共面波导传输线和固支梁，共面波导传输线是包括中心信号线和地线，地线设置在中心信号线的两侧，固支梁两端利用桥墩固定在信中心信号线和地线之间，固支梁正下方嵌入一质量块，固支梁的上方有四块压电材料层，四块压电材料层与固支梁之间填充着介质层，当微波功率在共面波导传输时，固支梁受到静电力下拉，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。该技术的微波功率传感器就是利用固支梁和压电材料配合，通过测试电压检测微波功率，但是由于该专利应用了传统的固支梁，在信号较大时收到的静电力很大容易坍塌，导致检测范围较小；并且由于传统固支梁的加工尺寸问题，导致灵敏度有待进一步提高。中国专利CN106814259B(专利申请号：201710052699.X)公开了一种固支梁直接加热式微波信号检测器，由六端口固支梁耦合器，通道选择开关，微波频率检测器，微波相位检测器，直接加热式微波功率传感器级联构成；六端口固支梁耦合器由共面波导，介质层，空气层和固支梁构成；六端口固支梁耦合器的第一端口到第三端口、第四端口及到第一端口到第五端口、第六端口的功率耦合度分别相同，待测信号经第一端口输入，并由第二端口输出直接加热式微波功率传感器，由第四端口，第六端口输出微波相位检测器，由第三端口，第五端口输出到通道选择开关；通道选择开关的第七端口和第八端口接直接加热式微波功率传感器，通道选择开关的第九端口，第十端口接微波频率检测器；实现了对微波信号的功率、相位、频率同时检测。该专利中共面波导输入到终端电阻消耗转化成热量，通过热电偶检测热电势的方法来测试微波功率，无直流功耗，但是由于采用的是直接加热式的方法，导致微波信号损耗大很难被后续利用，信号的率用率不高。
技术实现思路
本专利技术目的是针对上述现状，旨在至少解决现有技术问题之一，提供基于复合拱形梁的微波功率传感器，克服了传统梁结构由于本身物理性质的限制不能增加梁长度的问题，不仅极大地提高了传感器的灵敏度，并且由于拱形结构本身的物理性质，还能提高微波信号检测功率的精度和系统本身的稳定性。本专利技术的实现方式为：基于复合拱形梁的微波功率传感器，包括衬底、共面波导传输线和复合拱形梁；衬底上中间设置共面波导传输线且衬底上两边设置地线，复合拱形梁通过锚区固定在地线上且共面波导传输线位于复合拱形梁下方；所述复合拱形梁由中间的弹性材料以及上下包裹的石墨烯薄膜构成，上层石墨烯薄膜和下层石墨烯薄膜的一侧通过锚区相连，上层石墨烯薄膜和下层石墨烯薄膜的另一侧设置两个输出端口，第一输出端口与上层石墨烯薄膜相连，第二输出端口与下层石墨烯薄膜相连。本专利技术的微波功率传感器中利用石墨烯的压阻效应进行微波功率测试，在弹性材料上覆盖两层石墨烯薄膜可以提高石墨烯总阻值，当弹性材料发生弯曲的时候，石墨烯的阻值变化相比于单层石墨烯增加了一倍，因此对于微小的形变可以极大地提高精确度。并且石墨烯对形变有较好的响应特性，可以提高系统的灵敏度；由于石墨烯独特的零带隙结构，导致其结构比较稳定，可以稳定重复工作，可以在最大应力范围内稳定工作150个周期，提高了系统的可靠性。本专利技术采用复合拱形梁结构，克服了传统梁结构由于本身物理性质的限制不能增加梁长度的问题，不仅极大地提高了传感器的灵敏度，并且由于拱形结构本身的物理性质，还能提高微波信号检测功率的精度和系统本身的稳定性。相比较于传统的电容式微波功率传感器，本专利技术的传感器待测功率信号的允许动态范围很大且输出信号大、易检测，具有抗过载能力强，动态范围大等优点。本申请的传感器还具有结构简单，易集成的优点。优选地，所述输出端口为电阻测量输出端口用于与电阻测试电路连接并通过测得的电阻值计算共面波导传输线上传输的微波功率的大小。利用电阻式检测微波信号，属于在线式，相比较于传统的终端热电式微波功率传感器，不会完全消耗掉微波信号，可以被后续过程继续利用等优点。优选地，所述复合拱形梁由位于其两侧的锚区固定在地线上。优选地，所述复合拱形梁的弧度为π/6。锚区位于复合拱形梁的两侧，使得复合拱形梁的弧度为π/6，可以分担很大一部分应力，提高了弹性材料的稳定性，从而对电路具有很好的保护作用，提高了整个系统的抗过载能力；使传感器具有极高的结构稳定性，极大地扩大了传感器的功率测量范围。优选地，所述衬底的材质为氮化镓，电子迁移率高，适合用于高频传感器。优选地，所述微波功率传感器采用MEMS平面加工方法制得。采用MEMS工艺进行加工，因此相比于传统的微波功率传感器传感器具有体积小，集成度高等优点。本专利技术还公开了使用上述基于复合拱形梁的微波功率传感器进行测试微波功率的方法：将输出端口与电阻测试电路连接，当微波信号进入共面波导传输线时，会产生静电力使复合拱形梁弯曲，从而导致贴合在弹性材料上的石墨烯薄膜发生形变，使得石墨烯薄膜阻值发生变化，不同的微波功率一一对应不同的电阻，通过测量石墨烯薄膜阻值的变化量即可计算得出微波功率。综上所述，本专利技术的微波功率传感器及测试微波的方法，具有以下优点：(1)本专利技术巧妙的设计了一种结构简单的传感器，并采用MEMS工艺进行加工，因此相比于传统的微波功率传感器传感器具有体积小，集成度高等优点；(2)本专利技术利用电阻式检测微波信号，属于在线式，相比较于传统的终端热电式微波功率传感器，不会完全消耗掉微波信号，可以被后续过程继续利用等优点；(3)本专利技术利用复合拱形梁检测微波信号，相比较于传统的电容式微波功率传感器，待测功率信号的允许动态范围很大且输出信号大、易检测，具有抗过载能力强，动态范围大等优点。(4)本专利技术利用石墨烯薄膜检测微波信号，利用石墨烯的压阻效应极大地提高了微波功率传感器的灵敏度；并且石墨烯由于其独特的零带隙结构，极大地提高了本系统的稳定性等优点。附图说明图1是实施例1的基于复合拱形梁的微波功率传感器的主视结构示意图；图2是实施例1的基于复合拱形梁的微波功率传感器的右视结构示意图；图中：1、共面波导传输线；2、地线；3、锚区；4、弹性材料；5、第一输出端口；6、第二输出端口；7、上层石墨烯薄膜；8、下层石墨烯薄膜。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体附本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于复合拱形梁的微波功率传感器，其特征在于，包括衬底、共面波导传输线和复合拱形梁；衬底上中间设置共面波导传输线且衬底上两边设置地线，复合拱形梁通过锚区固定在地线上且共面波导传输线位于复合拱形梁下方；所述复合拱形梁由中间的弹性材料以及上下包裹的石墨烯薄膜构成，上层石墨烯薄膜和下层石墨烯薄膜的一侧通过锚区相连，上层石墨烯薄膜和下层石墨烯薄膜的另一侧设置两个输出端口，第一输出端口与上层石墨烯薄膜相连，第二输出端口与下层石墨烯薄膜相连。

【技术特征摘要】
1.基于复合拱形梁的微波功率传感器，其特征在于，包括衬底、共面波导传输线和复合拱形梁；衬底上中间设置共面波导传输线且衬底上两边设置地线，复合拱形梁通过锚区固定在地线上且共面波导传输线位于复合拱形梁下方；所述复合拱形梁由中间的弹性材料以及上下包裹的石墨烯薄膜构成，上层石墨烯薄膜和下层石墨烯薄膜的一侧通过锚区相连，上层石墨烯薄膜和下层石墨烯薄膜的另一侧设置两个输出端口，第一输出端口与上层石墨烯薄膜相连，第二输出端口与下层石墨烯薄膜相连。2.根据权利要求1所述的基于复合拱形梁的微波功率传感器，其特征在于，所述输出端口为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李龙飞，李方清，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