（物理电子学专业论文）微梁结构热偶微波功率传感器芯片的设计与制作.pdf

摘要 摘要 ( ，微波功率测量已成为电磁测量的重要部分。随着经济的发展，科 技的进步，微波功率计已被广泛用于测量发射机接收机的输出输入功 率，信号源的输出，以及振荡器的输出等。在国防、通讯、科研等领 域有着广泛的用途。微波功率传感器是微波功率计探头中的核心元件， 在该领域国内外已有大量的研究，但利用m e m s 技术研制的微结构微 、 波功率传感器至今还很少 寸本文主要介绍了一种用m e m s 技术研制的 微梁结构热偶微波功率传感器芯片的设计和制作工艺。 测量微波功率最常用的方法是“热”方法，即把微波能量转换成 热能。微梁结构热偶微波功率传感器芯片就是利用热偶的塞贝克效应 设计的，芯片选择具有低电阻温度系数的t a 2 n 和具有高热电系数的半 导体单晶s i 作为热偶材料。微波功率耗散在t a 2 n 电阻上转变成热能 使热结温度高于冷结，这样冷热结两端就产生一个热电势，通过测量 该热电势即可实现微波功率测量。热偶冷热结之间的温度羞和热电势 均f 比于耗散在t a 2 n 电阻上的微波功率，如果热偶的工作电阻与同轴 传输系统电阻匹配适当，该功率就等于被测源的功率。 芯片利用半导体工艺和m e m s 工艺制作。工艺步骤复杂且难度大， 经过大量的重复实验，最后每步工艺均能实现重复，且芯片外形美观。 ， ( 芯片灵敏度可达1 1 m v m w ，频率范围从直流到18 g h z ，功率测量范 、 围从1 0uw 到1 0 0 m w 。4 - j 关键词：微波功率计；m e m s ；热偶；微梁结构： a b 吼t a c t d e s i g na n d f a b r i c a t i o no ft h ec h i po f m i c r o b r i d g e s t r u c t u r et h e r m o c o u p l e t y p e m i c r o w a v ep o w e rs e n s o r z h e w e n m i n g ( p h y s i e a le l e c t r o n i c s ) d i r e c t e db yp r o f c u id a f u a b s t r a c t m i c r o w a v e p o w e r m e a s u r e m e n t sh a v et a k e n a n i m p o r t a n t r o l ei n e l e c t r o m a g n e t i c s a st h ed e v e l o p i n go fe c o n o m ya n dt h ep r o g r e s s i n go fs c i e n c e ， m i c r o w a v ep o w e rm e t e rh a sb e e nu s e dt om e a s u r eo u t p u t i n p u to ft r a n s m i t t e r r e c e i v e r ，o u t p u to fs i g n a lg e n e r a t o ra n do a t p u to fm o n o f i e r , i th a sm a n yu s e si n n a t i o n a ld e f e n c e ，c o m m u n i c a t i o na n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h m i c r o w a v ep o w e rs e n s o r i st h ec o r ec o m p o n e n to fm i c r o w a v ep o w e rm e t e r ，a n di th a sb e e nr e s e a r c h e db y m a n y d o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c hi n s t i t u t i o n s ，b u tm i c r o s t r u c t u r em i c r o w a v e p o w e rs e n s o rd e v e l o p e db yu s i n gm e m st e c h n o l o g yi s f e wy e t i nt h i s p a p e r ， d e s i g na n df a b r i c a t i o no f an e wc h i po f m i c r o b r i d g es t r u c t u r et h e r m o c o u p l et y p e m i c r o w a v e p o w e r s e n s o r d e v e l o p e db yu s i n g m e m s t e c h n o l o g y w e r e r e c o m m e n d e d “h e a t ”m e a s u r e ( i e t ot r a n s f o r mm i c r o w a v ep o w e rt oh e a te n e r g y ) i st h e m o s tf a m i l i a rw a yt om e a s u r em i c r o w a v e p o w e r t h ec h i po fm i c r o b r i d g es t r u c t u r e t h e r m o c o u p l et y p em i c r o w a v ep o w e r s e n s o ri sd e s i g n e db yu s i n gs e e b a c kd o m i n o o f f e c to f t h e r m o c o u p l e t a 2 no fr e l a t i v e l yl o wr e s i s t o r t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n ta n d s io f r e l a t i v e l yh i g h t h e r m o e l e c t r i c p o w e r s e e b e c kc o e f f i c i e n ta r eu s e da s t h e r m o c o u p l em a t e r i a l si nt h ec h i p m i c r o w a v ep o w e rd i s s i p a t e di nt a 2 n r e s i s t i v e f i l mg e n e r a t e sh e a tt or a i s et h et e m p e r a t u r eo ft h eh o tj u n c t i o na b o v et h a to ft h e c o l dj u n c t i o n ，t h e r e b yp r o d u c i n gad cv o l t a g ea c r o s st h et h e r m o c o u p l e w ec a n m e a s u r em i c r o w a v ep o w e rt h r o u g hm e a s u r i n gt h i sd cv o l t a g e t h et e m p e r a t u r e r i s e sa n dt h ed ev o l t a g ea r ep r o p o r t i o n a lt ot h ep o w e rd i s s i p a t e d ，w h i c hi se q u a lt o t h ep o w e ro ft h es o u r c eb e i n gm e a s u r e di ft h ei n p u ti m p e d a n c ei ss u i t a b l ym a t c h e d t ot h es o u r c ei m p e d a n c e t h e c h i pi sf a b r i c a t e db yu s i n gs e m i c o n d u c t o r t e c h n i c sa n dm e m st e c h n i c s t h ef a b r i c a t i v et e c h n i c si s c o m p l e x a n dd i f f i c u l t ，e v e r y s t e p c a nb ed o n e r e p e a t e d l ya f t e rd o i n g al o to f e x p e r i m e n t s ，a n dt h ef i g u r a t i o no fc h i pi sn i c e t h e c h i ph a ss e n s i t i v i t ya sh i g h a s1 1m v m wo v e raf r e q u e n c yr a n g eo fd c t o18 g h z a tap o w e r l e v e r f r o m1 0 uw t o1 0 0 uw k e y w o r d s ：m i c r o w a v ep o w e rm e t e r , m e m s ，t h e r m o c o u p l e ，m i c r o b r i d g e s t r u c t u r e 第一章前斋 1 1 微波功率测量的意义 第一章前言 在微波技术研究中，微波功率是表征微波信号特性的一个重要参数，例如 确定微波发射机的输出功率、测量微波接收机的灵敏度以及衰减与增益等参数， 都是研究工作中经常碰到的问题。 功率测量在整个射频范围内都显得非常重要，在微波频段就更具特殊意义。 在直流和低频时，功率测量可以通过电流和电压的测量来完成。但当信号的频 率高于1 0 0 0 m h z 乃至上百g h z 时，工作波长已经与测量装置的尺寸相近，用测 量电流、电压的方法来计算功率已失去了实际意义，此时，功率量值可以直接 加以测量。 微波功率测量应用于很多场合，例如，发射机输出功率( 包括天线系统辐 射的功率) 和振荡器输出功率的测量，毫瓦计的校准，标准信号发生器的校准 等。 1 2 微波功率测量方法 1 2 1吸收功率和通过功率的测量 常规的微波功率测量方法是应用各种类型的功率表直接测量。应用功率表 直接测量微波功率有两种基本方式：测量信号源可能馈送给匹配负载的功率( 吸 收功率) 和测量从信号源通向给定负载的功率( 通过功率) 。前一方式应用于测 量微波电源的功率，如测量磁控管或速调管微波发生器的输出功率，在这种情 况下，发生器的负载就是吸收并测量功率的功率表；后一方式则应用于测量传 输系统工作于实际负载情况下通过的传输功率，如测量从发送设备传输到天线 的功率，这时，功率表仅吸收传输功率的一小部分。 第一章前亩 测量吸收功率是微波功率测量的最普遍形式。吸收式功率计的接收变换器 ( 作为等效匹配负载) 接在传输线的终端。按照所用变换器的不同形式，测量 方法有如下几种，即热方法( 量热计法、测辐射热电阻法、热电法) ；电压表法 以及利用有频率选择性的铁氧体元件的方法。其中热方法是最常见的，微波电 磁能量转变为热能后，可借热量计测出，或利用电阻的温度变化关系将其转换 为可直接测量的参量。 通过功率的测量可以通过耦合器件( 如分功器、定向耦合器) 从传输系统 中取出小量功率后用吸收式功率计测量。也可以利用通过式功率计来测量，此 时，通过式功率计的接收变换器接在振荡器和负载之间，通常只消耗沿传输线 传播的功率的很小部分。功率计的灵敏元件对电磁场的强度或对传输系统中的 功率流密度产生响应。根据接收变换器的型式和在接收变换器输出参量与通过 功率之间实现耦合的不同方式，通过功率的测量有如下几种方法：吸收壁法： 探针法：有质法和基于利用霍尔效应的方法【2 ”。 1 2 2 功率电平的划分 根据功率测量仪表的特征，一般将功率电平划分为如下三种量程： 小功率功率电平低于lo o m w ； 中功率功率电平从1 0 0 m w 至1 0 w ： 大功率功率电平大于1 0 w 。 小功率的测量一般应用测热电阻、热电偶和晶体二极管，借助适当的量程 扩大方法，小功率表也可用于中功率和大功率的测量。大功率的测量一般多采 用热量计的功率表。 在微波技术中，除了连续振荡波外，会更经常地接触到脉冲振荡波，因此， 有必要引入两个功率的定义： 脉冲功率单个脉冲时间内的平均功率值： 平均功率整个脉冲时间内的平均功率值。 一般微波功率表的时间常数约为1 毫秒或更大些。因此，对于脉冲宽度在 数十微秒以下的脉冲振荡波来说，功率表就仅能度量出其平均功率。在矩形脉 冲的条件下，脉冲功率可根据下式计算： 第一章前占 p ：拿( 1 - 1 ) 略复 式中t 为脉冲宽度，单位为秒；凡复为脉冲重复频率，单位为赫兹。 微波功率除了采用绝对单位，如微瓦、毫瓦、瓦、千瓦和兆瓦等来计量外， 也经常采用相对单位，如分贝毫瓦、分贝瓦等，功率的相对单位由下式决定： 一= l 。1 8 i p 【分贝】 ( 1 - 2 ) 式中r 为基准功率电平。该式的意义是：p 比r 高a 分贝。这种相对单位便于 确定接有功率衰减器的传输系统中各个不同点的功率电平。 1 2 3 微波功率计的分类 按灵敏度和测量范围来分，可分为大、中、小和超小功率计，其测量范围 分别是“大于1 0 w ”、“l o w - i o m w ”、“l o m w - iuw ”和“小于1uw ”；按待 测功率源的调制状态分类，可分为连续波功率计和脉冲功率计；按微波功率计 所用传感元件来分，可分为测热电阻型、热电偶或薄膜一半导体热偶型、干负 载型、流体负载型晶体二极管以及机械力效应盒属片、霍尔效应半导体和电子 注等类型的功率计。前四种的传感作用都是热效应法，即将微波功率转换为热 能，再转换为可测电信号；后几种是采用其它物理效应研制的功率计。 1 3 微波功率计的基本部件 根据微波功率计的专门用途和接入传输系统的方法，可将其分为两类：吸 收式功率计和通过式功率计。 吸收式功率计的结构如图1 1 所示，其基本部件包括接收( 初始) 测量变 换器( 或一组变换器) 和包括测量装置及读数装置的测量部分。在接收变换器 中，微波电磁振荡能量被变换成热能、机械能或变换成易于进一步变换并用低 频装置加以测量的电信号。通过式功率计的典型结构如图1 2 所示，通过式功 率计的接收变换器通常只消耗掉通向负载的功率的一小部分。 第一带前吉 幽1 1 吸收式功率计绵构图 图1 2 通过式功率计结构图 在两种类型的功率计中，测量装置和读数装置的结构和功能都是一样的。 测量装置将接收变换器的输出信号变换为便于显示和馈至读数装簧、校准器( 在 必要的情况下采用) 以及其它辅助部件的信号。而读数装置则以模拟或数字形 式指示出变换器所耗散的功率。通常情况下，读数装置与测量装置结合成一体。 1 4 课题背景及研究意义 1 4 1 早期的微波功率计 较早期的吸收式微波功率计主要是利用量热计法、测辐射热电阻法、热电 法和电压表法来实现的。下面就对每一种方法的代表产品进行简单介绍。 量热计法的代表产品是m 3 1 1 a 型和m 3 1 3 型吸收式功率计。这类功率计 的优点是动态范围大、频段宽、精确度高；其缺点是有惯性及体积庞大、笨重。 m 3 一1 1 a 型功率计用来测量波阻抗为5 0 欧姆的传输线上的微波信号功率。仪器 的频率范围为i m h z 1 1 5 0 0 m h z ；测量范围为1 0 m w - 1 0 w ；输入端的驻波系数 为1 2 5 1 6 。m 3 】3 型功率计用来测量波阻抗为7 5 欧姆的周轴传输线上的微波 连续波信号功率和经调制的微波功率的平均值。仪器的频率范围为 3 0 1 6 0 0 m h z ：测量范围为6 - 2 0 0 0 w ；输入端驻波系数不超过1 3 。 测辐射热电阻法的代表产品是m 3 2 2 型热敏电阻功率计。仪器用来测量同 第一幸前苦 轴和波导传输系统中的低电平微波连续波功率及脉冲调制微波功率的平均值， 应用于米波、分米波、厘米波和毫米波范围内的低电平功率。其优点是可以在 宽的频段内应用；缺点是温度漂移严重，动态范围的上限受到限制，频率高时 效率很低。仪器的频率范围为0 1 5 7 8 3 0 0 m h z ；测量范围小于6 0 0 0uw ；输入 端驻波系数为1 3 - 1 7 。 热电法的代表产品是m 3 2 1 型热电功率计。仪器用来测量同轴和波导传输 系统中的功率，应用于米波、分米波、厘米波和毫米波。其优点是适用的频率 范围宽，示值的稳定时间短，周围媒质的温度对测量结果的影响小，2 1 2 作前需 要准备的时间短等；缺点是动态范围的上限受到限制，过载能力低，从而限制 了热电变换器用来测量脉冲调制振荡的平均功率。仪器的频率范围为 0 1 3 7 5 0 0 m h z ：测量范围为1 0uw - 1 0 r o w ：驻波系数为1 5 。 电压表法的代表产品是m 3 9 型功率计。仪器的优点是简单，可靠性高， 可以测量连续波信号，也可以测量脉冲调制信号；缺点是测量精确度低，工作 频率受到限制，仪表示值与被测信号中谐波分量的大小有关，必须使用修f 曲 线。 由各种型号的功率计的特性参数可知，早期的吸收式微波功率计的频率范 围和测量范围都很窄，这样就限制了其应用范围。 1 4 2 热电偶式功率计 热电偶是由两种不同材料的会属组成的。若它的两个结点处于不同的温度， 便会产生热电势，且热电势与两个结点之间的温度差成f 比。对于不同的材料 组合，产生的热电势也不尽相同。 如果把热电偶的热结点置于高频电磁场中，使它直接吸收高频功率，它的 温度就会升高，并用此热电偶检测出温度差，则温差电势便可以作为吸收功率 的量度。用这种原理设计而成的功率计称为热电偶式功率计。由于热电偶直接 胃于高频场中，因此能量转换的效率很高，又因为热电偶元件可以制成极薄的 片状，热容量很小，因此这种功率计的灵敏度很高，动态范围也很宽。由于它 结构简单，制造成本低，因此得到了极其广泛的应用。 热电偶式功率计由两个部分组成。一个是能量转换器，通常称之为热电偶 第一章前吉 座，它将高频能量转换为热电势；另一部分是一个高灵敏的直流放大器，可将 微弱的热电势进行放大使电表偏转。 热电偶式功率计很早就用来测量分米波以下频段的中等甚至更大功率。比 如国内生产的g l z l 型和g z 一3 型功率计均为热电偶式功率计。前者频率范围 从d c 到1 0 0 0 m h z ：满度值分为3 0 w 及1 0 0 w 两种量程。后者的频率范围从 d c 到1 2 4 g h z ；测量范围为i w 到1 0 w ：驻波比小于1 2 ；误差小于8 。 1 4 3 薄膜热偶式功率计 薄膜式热偶的出现标志着热电偶式功率计有了突破性发展。用薄膜技术制 成的热偶具有体积小、一致性好、按自热方式工作时易于装入同轴线或波导终 端以实现宽带匹配等优点。 用铋一锑薄膜构成的自热式热偶是最早出现的薄膜热偶，如国产的g x 一2 a 型功率计用的就是薄膜热偶。铋一锑薄膜热偶的结构如图1 - 3 ( a ) 所示，在一片 一 口 靠f 蛙 ，卜f 盘) ( a ) 热偶基片结构( b ) l ：作时的等效电路 l 鳘i1 3 铋一锑薄膜式热偶元什 云母或聚酯基片上蒸发上会膜构成一个中心电极和分成两个半月形的外电极， 以便隔着另一层绝缘薄膜分别与输入同轴接头的内外导体相紧贴，在高频时便 通过其问的电容而“接通”。在中心电极与每一个半月形外电极之问的缝隙处， 各镀覆上一只由铋和锑薄膜构成的热偶，每只热偶的两冷端分别搭接在内、外 电极二，而热结点则位于两电极之间的间隙处。两只热偶的极性安排为使二者 一+ 赢流输出 一 一 q c ； 一 +蓥+堇一 工、qhn尼 r末 第一带前吉 所产生的热电势在直流上顺向串联，并可出两个外电极上的直流引出线将该两 电势之和引出。通过控制铋、锑薄膜的厚度和宽度使每只热偶自身的内电阻各 等于1 0 0 q ，而其功率容量能满足额定最大功率的要求。于是当热偶基片的内、 外电极通过介质薄膜与高频同轴接头的内、外导体分别“接通”时，其等效电 路如图1 3 ( b ) 所示。当信号频率高到使耦合电容c i 及旁路电容c 2 的容抗比起 5 0q 电阻小到可以忽略时，两只热偶的1 0 0q 内阻形成互相并联，接到高频信 号输入端，充当5 0 q 同轴线的匹配负载。另外，用两根直流引线将两个热电势 迭加后送到后随的高阻式斩波放大和指示装置，便能显示信号功率的大小。 因为铋一锑薄膜式热偶能够做成具有高低不同的灵敏度及功率容量，所以 能测量连续波功率范围最小为0 0 1uw - 1 m w ：其次为o 1uw 1 0 m w ： 1 “w 1 0 0 m w ；直到最大为0 1 m w 3 w 等不同规格，频率范围可从1 0 m h z 到 】2 4 g h z ，驻波比小于1 5 。 1 4 4 薄膜半导体热偶功率计 铋一锑薄膜式热偶功率计虽然有不少优点，但过载能力差是其致命的弱点； 此外，由于它的结构较大，寄生电抗的影响也很大，要使同轴座工作到1 8 g h z 就很困难。美国h p 公司在1 9 7 3 年研制成功了一种薄膜一半导体热偶式功率计， 其工作原理与铋一锑薄膜式相同 薄膜半导体热偶作为热电偶 元件，它是一个0 7 6 m m 2 大小的 硅片，在上面制作了两个热偶， 他们对高频是并联的，而对直流 是串联的，其等效电路如图1 - 4 所示。热偶的一个臂用扩散法渗 入杂质后构成，具有半导体特性， 另一臂由t a 2 n 的电阻薄膜构成。 只是在热偶的材料和座的结构上作了改进。 射频输入 图1 4 薄膜一j f 导体热偶等效电路 两个臂分别由会电极引出。当它吸收高频功率后，结点温度升高，热偶便产生 温差热电势，产生的热电势的大小与所吸收的功率成f 比。 h p 8 4 8 l a 型薄膜一半导体热偶功率计的频率范围为o 0 1 18 g h z ；灵敏度为 第幸前击 1 6 0uv r o w ；额定功率可达1 0 0 r o w ；驻波系数小于1 4 。 1 4 5 课题研究意义 综上所述，虽然微波功率计的种类很多，但都存在着一些共同缺点。如体 积庞大，效率低，频率范围和测量范围窄，灵敏度低，误差大，驻波比大及过 载能力差等。只有到了后来h p 公司研制的薄膜一半导体热偶功率计才使性能 得到比较明显的提高，但其灵敏度还是比较差。 随着经济的不断发展，科技的只益进步，微波功率计已被越来越广泛地应 用于测量微波发射机接收机的输出输入功率，信号源的输出电平，以及接收 机本地振荡器的电平等，在国防、通讯、科研等领域有着广泛的用途。微波功 率传感器是微波功率计探头中的核心元件，在该领域国内外都有大量的研究( 前 面己介绍) ，目前国内还正处于研究阶段，国外情况稍好一些，现主要有h p 和 f r 公司研制了薄膜一半导体式热偶微波功率传感器，并有了自己的微波功率 计产品。但无论在国内还是国外，用m e m s 技术研制的微梁结构微波功率传感器 还很少，本课题的目的就是要填补国内在该领域的一个空白。经理论验证和实 践结果表明，比起薄膜结构来，用m e m s 技术研制的微梁结构微波功率传感器具 有体积小、功率转换效率高、灵敏度高、频率范围和测量范围宽、动态范围大、 响应时问短、驻波比小等特点。微梁结构将来必定要取代薄膜结构，并且具有 很好的应用胁景和广阔的市场前景。我们在这方面已有多年的研究，并自行设 计了几种不同结构的微波功率传感器，本文将对微梁结构热偶微波功率传感器 的设计、工艺制作和测试进行详细的介绍。 1 5 本章小结 本章在介绍微波功率测量的方法和意义的基础上比较详细的介绍了课题的 研究背景及意义。 第一章芯”的设计原理 第二章芯片的设计原理 2 1 塞贝克( s e e b a c k ) 效应 2 1 1塞贝克( s e e b a c k ) 效应 塞贝克效应是由塞贝克于l8 2 1 年发现的。如图2 1 所示，当两个 不同的导体或半导体a 和b 的热端连接在一起，并和冷端之间存在温 度差t 时，则在两个冷端之间便会产生丌路电压v ，该电压称为温 差电动势，其数值一般只与冷端的温度差有关。温差电动势与温度差 的关系可用下式表示： a v = 口。丁( 2 1 ) 式中口是塞贝克系数，单位为v k ( 或uv k ) 。 一v 图2 1 塞贝克艘应原理示意图 塞贝克效应必须由两种不同材料构成，相同材料则不会产生。塞 贝克效应是一种体效应，与材料的连接方式无关。塞贝克系数口。与材 料的化学成分及温度有关，例如硅的塞贝克系数可表示为： 口，= 妥( e j ) ( 2 - 2 ) 口一2 。而) 2 式中e 是费米能级。 对于硅来说，塞贝克效应主要由以下三种物理机理形成： 第一章，卷 的垃计蟓理 ( 一) 温度升高使硅更加本征化 随着温度的升高，载流子平均速度增大，在硅的冷端形成电荷积 累，半导体内形成电场。由于电场的存在，能带发生倾斜。费米能级e ， 与导带的e ，发生倾斜的程度不同，这是由于费米能级与温度有关所致。 随着温度的升高，费米能级的倾斜就加大，硅就变得更加本征化。 ( 二) 散射引起的陷阱效应 随着温度升高，载流子平均速率增大，在硅的冷端形成电荷积累。 由于载流予的散射与能量( 即温度) 有关，因而导致电荷在冷端或热 端的积累。电荷在冷端或热端的积累取决于两方面的因素：是热端 载流子运动速率是否比冷端快；二是由于散射引起的陷阱效应。 ( 三) 声子引曳效应 由于硅中存在温度差，产生从热端到冷端的净声子流。对于非简 并硅，在一定温度范围内( 1 0 - 5 0 0 k ) ，发生声子向载流子的动量传输。 出于声子动量从热端向冷端传递就把载流子拉向冷端。因此，在非 简并硅中，总的塞贝克系数可以表示为 对n 型硅有： 铲一拟等) 十扣峨 ， 对p 型硅有： 口= + 詈 t n ( 等 十j 5 + s ，+ 中， cz 一。， 式中m 为导带有效状态密度；n ，p 为掺杂浓度；s 为驰豫时间和能量 之唰的关系指数；为声子引曳因子。其中s 值在1 2 之间，声子引 曳因子m 与掺杂浓度和温度有关，当温度为3 0 0 k 时，高参在硅为零， 低掺杂硅为5 。在低温下( 1 0 0 k ) ，随着掺杂浓度由高到低，o 变化范 围在0 1 0 0 之i 训。室温下的塞贝克系数可近似表示为电阻的函数： 铲玛qn c z s ， l 风 其中岛2 5 1 0 q q c m ，m 2 6 。 筘二章芯 的敬汁原理 2 1 2 单晶硅的塞贝克系数 半导体硅的塞贝克系数比会属大得多，所以更适合用来做温度传 感器。硅的塞贝克系数与掺杂浓度和温度有关，下面分别加以说明。 ( 一) 塞贝克系数与掺杂浓度的关系 硅的掺杂浓度越低，塞贝克系数越大。随温度的变化也就越大。 在低温下，随温度升高，塞贝克系数口，显著增大，而且掺杂浓度越低， 其变化越显著。在温度较高时，塞贝克系数口，随温度升高而降低。室 温下的塞贝克系数与电阻的关系同样说明了它与杂质浓度密切相关。 采用扩散工艺可以在硅中形成不同的杂质分布，以获得具有较宽范围 的塞贝克系数。 ( 二二) 塞贝克系数与温度的关系 塞贝克系数与温度的关系受薄层电阻的影响。如果样品的薄层电 阻较低，则塞贝克系数口受温度影响就较小，薄层电阻越高，塞贝克 系数口。受温度影响就越大。由于塞贝克系数与掺杂浓度密切相关，因 而杂质分布的不均匀也会影响塞贝克系数。 2 1 3 品质因数 热偶材料的选用主要是要考虑品质因数。必须选择在测量范围内 知赫 陋6 ， h k ) ；+ 慨b ) 可 z ：生 ( 2 7 ) 第二章芯 的敬计原理 对品质因数分别为z 。、z 。的材料，当其符号相反，数值相等时， 他们组成热电偶的品质因数近似等于两种材料品质因数的平均值。由 式( 2 7 ) 表明，品质因数与塞贝克系数、热导率和电导率有关。维德曼 弗蓝茨( w i e d m a n f r a n z ) 定律表明，在给定温度下，材料的热导率和 电导率之比相等。因此，当塞贝克系数最大时，材料的品质因数最高。 出会属材料制成的热电偶，其塞贝克系数约大于1 0 0 “v k 。半导体的 塞贝克系数可以达到毫伏数量级，所以半导体的品质因数比金属要高。 2 2 热电偶 2 2 j热电偶的结构 热电偶是利用塞贝克效应将热能转换为电势的装置，热偶微波功 率传感器就是利用热电偶的性能设计的。热电偶的种类很多，其结构 和外形也不尽相同。但其基本组成大致一样，即由两种不同材料的热 电极组成，常见的热电偶结构如图2 - 2 所示。两种不同材料a 、b 的一 端连接在一起，当相连端温度升高时， 另外两端点c 、d 间就会产生热电势 v 。热电偶产生热电势必须具备两个 抽 i 条件：一是热电偶必须出两种不同的热 电极构成；二是热电偶的两连接点必须 具有不同的温度。 2 2 2 热电偶的灵敏度 幽2 - 2 热电偶结构 c v d 热电偶的灵敏度可以用下式来表示： 耻掣。菇舞弘s ， 其中k ，是热偶的输出电压；k ：= a 2 r ，q ：是塞贝克系数；a t 是热偶 冷热结温度差：p o 是输入功率值；瑾是吸收率；脚为入射功率频率，入 第二章芯”的设计原理 射功率为矿；响应时叭= 瓦h ，为热容。g 总是热偶总热导 g 总：导车+ g ( 2 。9 ) 斟 r + r 、 其中月是热偶两臂电阻之和；凡为负载电阻：g 为热偶两臂热导之和 r 为绝对温度。 由( 2 8 ) 、( 2 9 ) 式可知，在低频情况下灵敏度公式可近似为： r ，q 1 2 硼n 。1( 2 1 0 ) 高频情况下灵敏度公式可近似为： r ，z 旦哮( 2 1 1 ) 。m 、7 当考虑噪声时，最小可探测功率为： 。4 脚卜萼删 陋z ， 其中是工作带宽。 2 3 热电堆 当仅由一个热偶产生的热电势很小而无法使指针偏转时，可以使 用热电堆。热电堆是由热电偶按难负极串联而成的( 如图2 - 3 ) ，其优 点是可提高灵敏度，获得较大的热电势输出和降低响应时间：缺点是 图2 - 3 热电堆 第一章芯的设汁原理 只要有一支热偶断路，整个热堆就不能f 常工作，个别短路会引起示 值明显偏低。 设热电堆的总热电势为e 总t 则有： e 总= e 1 + e 2 + + 。= n e ( 2 13 ) 式中，巨、e ：、e 为单支热电偶的热电势；百是h 支热电偶的平均热 电势。 热电堆的热导公式可表示为： g 黼= g 总+ 丽a t 2 t n ( 2 1 4 ) f ，= 驯g 热堆 ( 2 15 ) 其中g 。是测辐射热电偶热导，是热电堆中串联的热电偶个数。 减小热容片必需减小传感器热敏元件的体积和重量，减小热导g 必需减小传感器热敏元件与周围环境的热交换。热容趋于最小后热 导g 也减小，响应时间上升，热导g 还决定温度噪声的大小。 2 4 本章小结 微梁结构热偶微波功率传感器芯片主要是利用热电偶的性能设计 的，本章主要介绍了塞贝克效应的原理及形成机理，并重点介绍了热 电偶和热电堆的结构和灵敏度的计算方法。从灵敏度公式可以看出， 若想提高灵敏度，则要选用热电功率系数大的热电偶材料以提高微波 吸收率，并且要减小热窖和热导。半导体微结构热电偶同一般金属膜 热电偶相比，具有热电功率系数大，体积和重量小等特点，可见这种 热电偶用于微波功率测量有着固有的高灵敏度。 第三章芯 的垃计 3 1芯片设计要求 第三章芯片的设计 在第一章中我们介绍了几种微波功率计，它们都存在着一些共同缺点。如 体积庞大，效率低，频率范围和测量范围窄，灵敏度低，误差大，驻波比大及 过载能力差等。虽然铋一锑薄膜热偶式微波功率计能获得较高的灵敏度和功率 容量，但其功率测量系统需要有一个同轴一波导转换器来检测，这样对于同轴 电缆中的毫米波测量就很不方便，而且有一个致命的缺点是响应时间长和熔断 功率水平低，当检测高功率时需要衰减。只有到了后来h p 公司研制的薄膜一 半导体热偶功率计才使性能得到比较明显的提高，但其灵敏度还是比较差。 本研究的目的是要设计和开发一种新型微结构热偶微波功率传感器，芯片 要克服上述缺点，具有快速响应、高灵敏度、超宽频率范围和测量范围、低驻 波比和高熔断功率水平等特点。芯片最终要达到的性能参数为： 卜宽频率范围( 直流一1 8 g h z ) 卜高灵敏度 1 0 0 l iv m w 高熔断功率 1 0 0 m w 卜低非线性度 5 短响应时间 l m s 卜良好的稳定性 3 2 芯片设计流程 我们的设计目标是要开发一个热偶微波功率传感器，整个设计过程要实现 规范化，计算机辅助的设计流程如图3 一i 所示。首先要将芯片要达到的性能参 数( 工艺和应用特性) 记录下来；然后根据半导体技术和微机械加工技术来设 计芯片的电路结构和热学结构，并从热学结构分析出几何结构模型；再根据材 料特性对几何结构模型进行结构分析和模拟，并根据电路结构设计出芯片模型； 第三章，岱j t 的l 蛙汁 最后进芯片件的工艺制作和性能测试。 半导体技术il 设计要求ii 微机械 电路结构h 组件设计 h 热学结构 材料特性ii 几何结构模型 电学参数 3 3 芯片工作原理 结构分析( f e m ) 和模拟 芯片模型 工艺制作和测试 图3 - 1 芯片的设计流程 微梁结构热偶微波功率传感器芯片主要是利用热电偶的热电效应来工作 的，微波功率输入后耗散在热偶的吸收电阻上，从而使热偶的热结温度升高- 而冷结的温度保持不变，这样在热偶冷热结之间就产生一个温度差，结果就在 冷结产生一个直流电压，通过测该直流电压就可测出输入的微波功率。芯片选 择具有低电阻温度系数的t a 2 n 和高热电功率塞贝克系数的s i 作为热偶的两电 极材料，它们降低了驻波比和温漂。此外，传感器采用微梁结构来减小芯片的 图3 - 2 芯片i 作原理框图 第三章1 5 j - i 的设计 尺寸和薄膜的厚度，以提高灵敏度。芯片由三个基本模块构成，其工作原理框 图如图3 - 2 所示。 各功能模块的设计要求列在表3 - 1 中。 模块设计要求备注 阻值大小为5 0 q o 5 t a 2 n 电阻采用激光修阻 吸收电阻低驻波比 稳定性良好 热流通路高灵敏度结构采用微梁结构 高熔断功率 高灵敏度热偶采用硅一金属热电 温度传感器低输入电阻偶 稳定性良好 3 4 芯片结构设计 3 4 1 芯片结构 表3 1 各功能模块的设计要求 经过多年的研究，我们自行设计了几种不同结构的微结构微波功率传感器 芯”，微梁结构热偶微波功率传感器芯片就是其中一种，其结构如图3 3 所示。 芯片用具有低电阻温度系数的t a ：n 和具有高热电功率塞贝克系数的半导体单 晶s i 作为热偶的两臂，金电极( 1 ) 经t a ：n 电阻( 4 ) 到会电极( 2 ) 组成微波吸热通 路，其阻值出梁中一d 处的t a 。n 电阻( 4 ) 组成。会电极( 3 ) 通过冷结点( 5 ) 及硅框 架到热结点( 6 ) 后再经部分t a ：n 电阻到金电极( 2 ) 形成热电偶通路。微波功率通 过7 m m 同轴电缆及蓝宝石基底上的共面波导从金电极( 1 ) 输入( 金电极( 2 ) 接 地) ，从而加热t a 。n 电阻，使t a 。n 下面的硅( 热结点) 温度升高，在硅冷热结 之间产生温度差，从而产生热电势。通过检测金电极( 2 ) 和盒电极( 3 ) 之间的热 电势即可实现微波功率测量。 当上述结构的热偶被高频电流直接加热后，耗损于t a ：n 电阻中的功率提高 第三章甚”的址汁 结点的温度。出于硅是热的良导体， 对功率变化响应的快慢( 以热时 j 日j 常数说明) 等主要决定于硅半 导体基片的厚度。为了使低功率 也能建立起较大的温差( 即为了 提高灵敏度) ，基片的厚度应力求 较薄，这样，热时间常数也较小， 结点温度升、降较快，但抗烧毁 电平则较低：反之，基片加厚， 功率容量及烧毁电平较大，但响 应较慢，灵敏度较低。热偶的内 电阻主要由t a ：n 薄膜的尺寸决 定，为了与5 0 0 同轴线匹配的需 要，应使热偶的内电阻为5 0 q 。 常见的热偶微波功率传感器 有薄膜和微梁两种结构。薄膜结 一定功率所造成冷热结温差的大小，以及 圈 u 囫t a 2 n 口s i 3 n c 6 、 图3 3 徽粱结构热偶微波功率传感器芯片结构 构以h p 公司的t f p 4 3 x 系列产品为代表，其h p 8 4 8 1 x a 系列功率探头的频率范围 为1 0m h z 一1 8 g h z ，功率范围为3 uw 一1 0 0 m w 。我们自行设计的微梁结构比起 薄膜结构来具有检测频带宽、精度高、响应快、可靠性好等优点。 3 4 2 芯片电路结构 对于热电偶微波功率传感器来说，从加热方式来分，有热偶自加热和非直 接加热两种方式，下面分别加以 介绍。 ( 一)自加热方式 自加热方式的传感器由热电 偶的其中一个臂吸收微波功率， 从而使热偶热结温度升高，因此 这种类型的传感器转换效率高且 微波输入 地 幽3 4 臼加热类热偶微波功率传感器等效电路 第三章芯 的敬计 快速，缺点是热偶的电阻受到限制，要求与同轴座电阻相匹配。该类传感器的 等效电路如图3 - 4 所示。 热偶的自加热过程可描述为：微波功率耗散在热偶的吸收电阻上，功率转 换为热能后使热结温度高于冷结，因此热偶的冷结就产生一个直流电压。上升 的温度和直流电压值与所耗散的功率成正比。 ( 二)非直接加热方式 非直接加热方式的传感器由热偶和电阻加热器两部分组成，因为热损耗比 较大，因而这类传感器的转换效率比自加热低，响应时间也要长。不过，热偶 内电阻不受限制，只是加热器的电阻被限制为5 0o ，所以电阻加热器的设计就 可以更灵活，从而能在更宽的频率范围内更好地匹配阻抗。 从上述可知，自加热方式和非直接加热方式各有优缺点，自加热方式转换 效率高且响应快，但热偶内电阻受限制，必须与同轴座电阻相匹配；非直接加 热方式可在较大功率范围内和传输系统波阻抗相匹配，同时由于加热电阻和热 偶电阻无关，就可通过选择杂质浓度得到较高的灵敏度。因为这种输入输出电 阻的灵活性，我们在设计中选用了非直接加热方式。芯片的等效电路如图3 5 所示。 微波输入 图3 - 5 芯片的等效电路 芯片中加热电阻为5 0 q 的t a ：n 薄膜电阻。一个独立的热电偶，热电偶电 阻大小可由几百欧姆到几千欧姆或更高。直流电路和微波电路被宽频电容隔开， 直流电压从热偶两端引出。直流输出端和地之间用电容连接，可虑掉耦合到直 流宿处端的交流信号。这种信号在低频时对直流输出影响很大。在微波频段无 影响。 第三市芯”的砹计 3 4 3 芯片误差来源 在实际功率测量中，最大的误差来源应该是匹配误差。在x 波段，匹配误 差可以达到1 0 或更大。这种匹配误差产生功率源反射和功率传感器反射的 交互作用，是难于补偿的，因为补偿需要知道两者反射系数的值和相位。 提高灵敏度的实用方法是减小功率传感器的反射。良好的匹配性能可能是 通过非常小的尺寸和传感器中热电偶芯片高度的一致性获得的。即使如此，在 大功率条件下热偶温度较高，由于热偶电阻中的硅具有较高的电阻温度系数， 热偶电阻改变较大和输入系统电阻不匹配，引起输入微波反射，使耗散功率不 等于源功率，产生较大误差。 传感器灵敏度公式为： r ，： a l2 p a t _ 剑 ( 3 - 1 ) 式中为热电功率塞贝克系数：丁为热偶冷热结温度差：晶为输入功率。热 电功率塞贝克系数公式为： 瑙扣n 半+ i 3i n 丽t 仔z ， 式中”为杂质浓度( e r a 。) ；t 为绝对温度( k ) 。 电阻率和杂质浓度的关系为： p = l( 3 3 ) n q p 其中电子电荷数q = 1 6 0 2 1 0 棚c ；迁移率为1 3 5 0 c m 2 v s ( 电子) ，5 0 0 c m 2 v s ( 空穴) 。 ( 3 2 ) 式说明可通过适当选择硅片电阻率设计热电功率值，同时还要考虑热 电功率随温度变化的效应。还有，因为电子浓度确定硅的电阻，因此对自加热 方式传感器必须在尽可能高的灵敏度和热偶电阻的限制之间进行折衷。 3 5 本章小结 本章从半导体器件的设计流程出发，简单介绍了芯片的设计要求、设计流 2 0 第三市芯外的敬计 程和工作原理，详细介绍了芯片的结构原理和电路结构，并分析了芯片的误差 来源。 芯片的设计要力图克服薄膜结构存在的体积庞大，效率低，频率范围和测 量范围窄，灵敏度低，误差大，驻波比大及过载能力差等缺陷。在设计过程中， 遵循了系统的半导体器件设计流程。芯片结构采用微梁结构，并利用热电偶的 热电效应原理来工作，微波功率输入后耗散在热偶的吸收电阻上，从而使热偶 的热结温度升高，而冷结的温度保持不变，这样在热偶冷热结之间就产生一个 温度差，结果就在冷结产生一个直流电压，通过测该直流电压就可测出输入的 微波功率。热偶材料选用具有低电阻温度系数的t a 。n 和具有高热电功率塞贝克 系数的半导体单晶s i ，这样可降低驻波比和温漂。此外，芯片的电路结构选用 了非直接加热方式，因为这样可在较大功率范围内和传输系统波阻抗相匹配， 而且由于加热电阻和热偶电阻无关，所以可通过选择杂质浓度来提高灵敏度。 第四章芯 的制作t 艺 4 1微机电系统 第四章芯片的制作工艺 由于芯片具有尺寸小、功耗低、灵敏度高等性能要求，所以芯片利用半导 体