基于双层梁结构的在线式微波功率传感器及其使用方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双层梁结构的在线式微波功率传感器，以高阻硅为衬底，在衬底上设计共面波导传输线、双层悬臂梁结构及传感电极；中间梁和顶层梁以中心信号线为对称轴，上下平行，左右对称分别放置在中心信号线的两侧，通过两个锚区进行固定；顶层梁和中间梁的交叠面积与中间梁和中心信号线的交叠面积相等；中间梁下方设有传感电极；两个锚区以及传感电极分别连接一个压焊块。当微波信号在CPW传输时，对顶层梁施加直流功率，使中间梁上下所受静电力平衡，维持初始水平状态，即中间梁与传感电极形成的电容值恢复到初始值，通过静电力等效的方式实现微波功率与直流功率的转换，从而实现微波功率的直接检测。

On line microwave power sensor based on double beam structure and its application

【技术实现步骤摘要】
基于双层梁结构的在线式微波功率传感器及其使用方法
本专利技术涉及一种基于双层梁结构的在线式微波功率传感器及其使用方法，属于微电子机械系统

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。近年来，人们对于微波功率传感器进行了大量研究，提出了电容式微波功率传感器，通过微波功率对MEMS悬臂梁的吸引引导梁的位移，进而测量悬臂梁与传感电极之间的电容变化来得出待测的微波功率；此结构对较低量级的微波功率不敏感，可以测量较高的微波功率，但灵敏度与微波功率的权衡问题，制约了该结构的性能及应用范围。MEMS悬臂梁式在线微波功率传感器，通过悬臂梁来耦合提取部分待测功率，提取的微波功率通过副CPW线传输到终端式微波功率检测系统来实现微波功率的检测；该结构既能实现微波功率的在线监视与检测，也解决了电容式微波功率传感器灵敏度与微波性能权衡的问题，但受到耦合系数的制约灵敏度较低。上述类型的微波功率传感器需要依靠电容检测或热偶的热电转化来实现微波功率的间接测量，在参数转换过程中，无法精确控制寄生电容的影响、热量的耗散，从而严重影响了微波功率检测系统的测量精度。
技术实现思路
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种基于双层梁结构的在线式微波功率传感器。该微波功率传感器采用双层悬臂梁结构，通过顶层梁和共面波导传输线的中心信号线对中间梁施加大小相同、方向相反的作用力来保持中间梁的水平方向的平衡度，将待测的微波功率转化为等效的直流功率，进而达到直接测量微波功率的目的。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于双层梁结构的在线式微波功率传感器，其特征在于：包括衬底，所述衬底上设有共面波导传输线、双层悬臂梁结构以及传感电极，所述双层悬臂梁结构位于共面波导传输线上方；所述共面波导传输线包括中心信号线和第一地线、第二地线，第一地线与第二地线分别设置在中心信号线的两侧；所述双层悬臂梁结构包括两个相互独立的单端悬臂梁，分别是顶层梁和中间梁，所述顶层梁与中间梁的自由端部分交叠，且顶层梁在上、中间梁在下；顶层梁和中间梁对称分布在中心信号线的两侧，顶层梁越过第一地线由第一锚区固定在衬底左侧，第一锚区与第一压焊块相连；中间梁越过第二地线由第二锚区固定在衬底右侧，第二锚区与第二压焊块相连；所述中间梁的下方设置传感电极，传感电极位于中心信号线与第二地线之间，所述传感电极通过金属线与第三压焊块相连，所述金属线穿过第二地线且不与第二地线相接触；在中心信号线上方与中间梁交叠的部分、传感电极上方、中间梁上方与顶层梁交叠的部分，以及第二地线上方与中间梁交叠的部分均设置有绝缘介质层。进一步地，所述衬底为高阻硅衬底。进一步地，所述传感电极的材质为金属金。进一步地，所述顶层梁与第一地线、中间梁与第二地线之间、顶层梁与中间梁之间均不接触。进一步地，所述顶层梁和中间梁的交叠面积与中间梁和中心信号线的交叠面积相等。进一步地，当中间梁处于水平状态时，所述顶层梁和中间梁的纵向距离与中间梁和中心信号线的纵向距离相等。一种基于双层梁结构的在线式微波功率传感器的使用方法，具体为：在没有微波信号在共面波导传输线上传输时，通过第二压焊块、第三压焊块测出中间梁与传感电极之间的初始电容值；当微波信号在共面波导传输线上传输时，中心信号线对中间梁施加向下的静电力，导致中间梁与传感电极之间的电容值变大；通过第一压焊块在顶层梁上施加直流功率使其对中间梁产生向上的静电力；当顶层梁对中间梁的向上的静电力与中心信号线对中间梁的向下的静电力大小相等时，中间梁恢复初始的平衡状态，即中间梁与传感电极之间的电容值恢复为初始电容值，此平衡状态下，待测的微波功率等效为第一压焊块对顶层梁施加的直流功率，进而可测出微波功率。有益效果：本专利技术所提供的一种基于双层梁结构的在线式微波功率传感器，适用的功率动态范围大，具有可观的测量精度、较高的灵敏度等优点。具体优势如下：（1）采用双层单端悬臂梁对称结构，作用力施加在梁的相同位置，相比于双端悬臂梁结构，具有更高的稳定性和可靠性；（2）相比于双端悬臂梁一个自由端进行功率感知、另一自由端进行功率测量的情况而言，本专利技术中将传感电极放置在中间梁用于感知微波功率的自由端下方，即通过同一自由端进行功率的感知和测量，因此对梁平衡度的感知更为精确，测量精度得到提高；（3）传统电容式微波功率传感器，只有一个梁悬浮在中间信号线的上方，不同大小的待测微波功率将导致梁不同程度的偏移状态，需要进行不同的梁状态下电容值的测量，容易出现寄生电容带来的测量精度低的问题；而本专利技术通过中间梁所受静电力平衡的原理，将微波功率转化为直流功率进行测量，可以实现待测微波功率结果的直接读取，并可避免传统方法中寄生电容带来的测量精度低的问题；（4）双层梁结构的两个悬臂梁相互独立，可单独设计，因此可以灵活地设计梁的刚度，比如选择较小刚度的中间梁，很容易发生弹性形变，从而达到较好的灵敏度；而顶层梁的刚度较大，可以承受足够大的静电力而不发生弹性形变；无论待测微波功率多大，在测量的稳定状态下，中间梁保持很好的水平状态，通过设置合适的梁高度可以将反射损耗降到最低，有效地解决了电容式微波功率传感器在大功率检测时灵敏度和微波特性的权衡问题；此外，待测微波功率并未完全被消耗，使微波信号到达终端还是可用的，便于与其他微波系统的片上集成。附图说明图1为本专利技术的立体示意图；图2为本专利技术的主视示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。本专利技术中涉及的“第一”、“第二”、“第三”以及“左”、“右”等词汇，仅用作区分描述相似结构的零部件，使技术方案的描述更加清晰，并不作为主次之分以及方位唯一限定的依据。如图1、图2所示，一种基于双层梁结构的在线式微波功率传感器，包括衬底1，所述衬底1上设有共面波导传输线、双层悬臂梁结构以及传感电极5，所述双层悬臂梁结构位于共面波导传输线上方。所述衬底1为高阻硅衬底，传感电极5由金属金制作而成。所述共面波导传输线包括中心信号线22、第一地线21和第二地线23，第一地线21和第二地线23分别设置在中心信号线22的两侧。所述双层悬臂梁结构包括两个相互独立的单端悬臂梁，分别是顶层梁3和中间梁4，所述顶层梁3与中间梁4的自由端部分交叠，且顶层梁3在上、中间梁4在下；顶层梁3和中间梁4对称分布在中心信号线22的两侧，顶层梁3越过第一地线21由第一锚区11固定在衬底1左侧，第一锚区11与第一压焊块9相连；中间梁4越过第二地线23由第二锚区12固定在衬底1右侧，第二锚区12与第二压焊块8相连。所述顶层梁3与第一地线21、中间梁4与第二地线23之间、顶层梁3与中间梁4之间均不接触。所述顶层梁3和中间梁4的交叠面积与中间梁4和中心信号线22的交叠面积相等，以保证中间梁4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双层梁结构的在线式微波功率传感器，其特征在于：包括衬底（1），所述衬底（1）上设有共面波导传输线、双层悬臂梁结构以及传感电极（5），所述双层悬臂梁结构位于共面波导传输线上方；/n所述共面波导传输线包括中心信号线（22）和第一地线（21）、第二地线（23），第一地线（21）与第二地线（23）分别设置在中心信号线（22）的两侧；/n所述双层悬臂梁结构包括两个相互独立的单端悬臂梁，分别是顶层梁（3）和中间梁（4），所述顶层梁（3）与中间梁（4）的自由端部分交叠，且顶层梁（3）在上、中间梁（4）在下；顶层梁（3）和中间梁（4）对称分布在中心信号线（22）的两侧，顶层梁（3）越过第一地线（21）由第一锚区（11）固定在衬底（1）左侧，第一锚区（11）与第一压焊块（9）相连；中间梁（4）越过第二地线（23）由第二锚区（12）固定在衬底（1）右侧，第二锚区（12）与第二压焊块（8）相连；/n所述中间梁（4）的下方设置传感电极（5），传感电极（5）位于中心信号线（22）与第二地线（23）之间，所述传感电极（5）通过金属线（7）与第三压焊块（10）相连，所述金属线（7）穿过第二地线（23）且不与第二地线（23）相接触；/n在中心信号线（22）上方与中间梁（4）交叠的部分、传感电极（5）上方、中间梁（4）上方与顶层梁（3）交叠的部分，以及第二地线（23）上方与中间梁（4）交叠的部分均设置有绝缘介质层（6）。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于双层梁结构的在线式微波功率传感器，其特征在于：包括衬底（1），所述衬底（1）上设有共面波导传输线、双层悬臂梁结构以及传感电极（5），所述双层悬臂梁结构位于共面波导传输线上方；
所述共面波导传输线包括中心信号线（22）和第一地线（21）、第二地线（23），第一地线（21）与第二地线（23）分别设置在中心信号线（22）的两侧；
所述双层悬臂梁结构包括两个相互独立的单端悬臂梁，分别是顶层梁（3）和中间梁（4），所述顶层梁（3）与中间梁（4）的自由端部分交叠，且顶层梁（3）在上、中间梁（4）在下；顶层梁（3）和中间梁（4）对称分布在中心信号线（22）的两侧，顶层梁（3）越过第一地线（21）由第一锚区（11）固定在衬底（1）左侧，第一锚区（11）与第一压焊块（9）相连；中间梁（4）越过第二地线（23）由第二锚区（12）固定在衬底（1）右侧，第二锚区（12）与第二压焊块（8）相连；
所述中间梁（4）的下方设置传感电极（5），传感电极（5）位于中心信号线（22）与第二地线（23）之间，所述传感电极（5）通过金属线（7）与第三压焊块（10）相连，所述金属线（7）穿过第二地线（23）且不与第二地线（23）相接触；
在中心信号线（22）上方与中间梁（4）交叠的部分、传感电极（5）上方、中间梁（4）上方与顶层梁（3）交叠的部分，以及第二地线（23）上方与中间梁（4）交叠的部分均设置有绝缘介质层（6）。


2.根据权利要求1所述的基于双层梁结构的在线式微波功率传感器，其特征在于：所述衬底（1）为高阻硅衬底。


3.根据权利要求1所述的基于双层梁结构的在线式微波功率传...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷新丰，何素荣，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