（微电子学与固体电子学专业论文）mems终端式热电微波功率传感器的研究.pdf

摘要 微波功率是表征微波信号特征的一个重要参数 微波功率测试在现代无线通信系统中有着广泛 的应用 传统的微波功率探头只能测试芯片端口的功率 且需专门的测试设备配合使用 价格昂贵 本文提出了两种与g a a sm m i c 标准工艺兼容的终端式微波功率传感器 可以将微波功率传感器嵌 入到微波和毫米波单片集成电路中 直接进行功率的测试 输出信号为直流电压 易于测量 加入 功率耦合器 可对电路中功率进行在线监测 从技术发展的角度来看 由于硅制作工艺较为成熟且对硅的材料特性研究深入 所以现在m e m s 器件大多是制作在硅衬底上的 g a a s 材料的热导率比硅小 是制作热m e m s 的理想衬底材料 g a a s m e m s 器件可以与g a a sm m i c 电路实现单片集成 文中讨论了直接加热式微波功率传感器和间接加热式微波功率传感器两种结构 分析了工作原 理 并用c o v e n t o r 软件进行了模拟 分析了输出特性与传感器结构尺寸和背面刻蚀的关系 用 h f s s 软件模拟了其微波性能 本文设计的传感器的性能指标 直接加热式 输入功率为o 1 1 6 0 m w 输出电压范围0 0 2 2 3 5 2 m v 频率范围8 一1 2 g h z 灵敏度约为0 2 2 m v m w 反射系数为小于 2 4 d b 间接加热式结构的 输入功率为o 1 5 0 m w 输出电压范围0 0 7 5 3 7 5 m v 频率范围8 1 2 g h z 灵敏度约为 0 7 5 m v m w 反射系数为小于 2 0 d b 本文中的传感器在信息产业部5 5 所进行流片测试 在结构设计的基础上 根据5 5 所的工艺条 件 对本文的终端式微波功率传感器进行了工艺和版图设计 设计出了几组可以对比的试验结构 以得出各种设计参数对传感器性能的影响 关键词 m e m s 终端式微波功率传感器 热电偶 热电堆 g a a sm m i c 工艺 东南大学硕上学位论文 a b s t r a c t m i c r o w a v ep o w e ri sa l l i m p o r t a n tp a r a m e t e rt or e p r e s e n tm i c r o w a v es i g n a l m i c r o w a v ep o w e r m e a s u r e m e n th a sw i d ea p p l i c a t i o ni nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t r a d i t i o n a lp o w e rd e t e c t o rc a no n l y m e a s u r et h ep o w e ra te n do fc h i p a n dt h i sr e q u i r e ss p e c i a la n de x p e n s i v et e s te q u i p m e n t t h i sp a p e r p r e s e n t st w ok i n d so ft e r m i n a t i o nm i c r o w a v ep o w e rs e n s o r sb a s e do ns t a n d a r dg a a st e c h n o l o g y t h e s e s e n s o r sc a l lb ee m b e d d e di nm m i c m o n o l i t h i em i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t d e t e c tp o w e rw i t hc o u p l e r t h eo u t p u ts i g n a li sd cv o l t a g e i ti se a s yt om e a s u r e f r o mt h ev i e wo ft h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y t h ef a b r i c a t i o no fs i l i c o ni sm a t u r ea n dt h e r e s e a r c hf o rs i l i c o nm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c si sd e e p s om o s to ft h ep r e s e mm e m s d e v i c e sa r ef a b r i c a t e do n s i l i c o ns u b s t r a t e t h eh e a tc o n d u c t i v i t yi ss m a l l e rt h a ns i l i c o n i sai d e a ls u b s t r a t em a t e r i a lf o rm a k i n g m e m sd e v i c e a n di ti sc o m p a t i b l ew i t hm m i c t h i sp a p e rd i s c u s s e st w os t r u c t u r e s t h ed i r e c t l yh e a t e da n dt h ei n d i r e c t l yh e a t e dm i c r o w a v ep o w e r s e n s o lw ed i s c u s st h ew o r k i n gt h e o r y a n ds i m u l a t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e no u t p u tc h a r a c t e ra n d g e o m e t r yd i m e n s i o n l r i t ht h ec o v e n t o rs o f t w a r e s i m u l a t et h em i c r o w a v ec h a r a c t e r i s t i c sw i t hh f s s s o f t w a r e t h em a i np e r f o r m a n c ei n d i c e so ft h es e n s o ra r ep r o p o s e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i r e c t l yh e a t e d m i c r o w a c ep o w e rs e n s o ra r ea sf o l l o w i n p u tp o w e rr a n g ei s0 1 16 0 m w t h eo u t p u tv o l t a g er a n g ei s 0 0 2 2 4 3 5 2 m v t h er a n g eo ff r e q u e n c yi s8 一1 2 g h z t h es e n s i t i v i t yi sa b o u t0 2 2 m v m w t h e r e f l e c t i o nc o e f f i c i e n ti sl e s st h a n 2 5 d b t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i r e c t l yh e a t e dm i c r o w a c ep o w e rs e n s o ra r e a sf o l l o w t h er a n g eo fi n p u tp o w e ri so 1 5 0 0 m w t h er a n g eo f o u t p u tv o l t a g ei s 0 0 7 5 3 7 5 m v t h er a n g e o ff r e q u e n c yi s 8 12 g h z s e n s i t i t v i t yi sa b o u t0 7 5 m v m w r e f l e c t i o nc o e f f i c i e n ti sl e s st h a n 2 0 d b t h es e n s o r si nt h ep a p e ri sf a b r i c a t e da n dt e s t e di nt h en o 5 5i n s t i t u t eo fm i n i s t r yo fi n f o r m a t i o n i n d u s t r y s e v e r a le x p e r i m e n t a ls t r u c t u r e sa r ed e s i g n e dt of i n do u tt h ei n f l u e n c eo fd e s i g np a r a m e t e r so nt h e p e r f o r m a n c e so ft h es e n s o r k e yw o r d s m e m s t e r m i n a t i o nm i c r o w a v ep o w e rs e n s o r t h et h e r m o c o u p l e t h e r m o p i l e s g a a s u 东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意 研究生签名 i 兰垦皇垫亟 日期 苎塑 毋 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可 以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包括刊登 授权东南大学研 究生院办理 研究生签名浮坠童蛹导师签名 日期 第一章引言 1 1 皿璐的综述 第一章引言 2 0 世纪6 0 年代后期 研究者开始注意到硅和其它半导体材料不仅能用来制造分立的和集成的 电子电路 而且也能用来制造传感器与执行器 l 微机械加工和应用的多学科性 能够也确实促成 了多个领域之间的精彩合作 这些技术应用的结果或是取代了相应的宏观尺度产品 或是实现了以 前不能实现的功能 许多情况下 微型化技术应用除了能够明显减少器件体积和重量外 还可以增 强功能 提高可靠性以及大幅度降低成本 从广义上讲 m e m s 是指集微型传感器 微型执行器 信号处理和控制电路 接口电路 通信系统及电源于一体的微型机电系统 如图1 1 所示 是一种 多学科交叉的前沿性领域 它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域 如电子 机械 光学 物理 学 化学 生物医学 材料科学 能源科学等 图1 1m 膦与外部世界相互作用关系示意图 m e m s 还缺乏统一的定义 但它有一些显著的特征 m e m s 技术的三个最为显著特征是微型化 m i n i a t u r i z a t i o n 多功能化 m u l t i p l i c i t y 集微电子技术 m i c r o e l e c t r o n i c s 于一体 所谓微 型化是指m e m s 工艺的最小尺寸在微米范围之内 它区别于一般的宏观 m a c r o 概念 但是也并 非进入物理上的微观层次 所谓多功能化是指m e m s 器件除了可以处理电信号以外 还可以处理 机 械 信号 这里的 机械 不限于狭义的机械力学中的机械 它代表一切具有能力转化 传输等功 能的效应 它包括力 热 声 光 磁 乃至化学 生物等等 因此 从广义来说 m e m s 是一种 换能器 t r a n s d u c e r 它将能量从一种形式转换到另一种形式 所谓集微电子技术于一体有着以下 几个含义拉1 1 m e m s 一般基于 但不限于 硅微加工技术制造 它使用与微电子芯片制造相 仿的金属板印刷术进行大批量 低成本生产 其性价比通常比传统的 机械 制造技术有大幅度提 高 2 m e m s 的目标是制造微机械与集成电路集成的微智能系统 m e m s 在航空航天 汽车 生物医学 环境监控等方面有着十分广阔的应用前景 微惯性传感器 东南人学硕 仁学位论文 及微型惯性测量的组合能应用于制导 卫星控制 汽车自动驾驶 汽车防撞气囊 m e m s 技术还用于 医疗 高密度存储和显示 已制造出尖端直径5 u r n 可以夹起一个红细胞的钳子 光通信正在向有 光交换功能和全光通信网络方向发展 无线通信系统要求增强功能和减小功耗 包括美国朗讯公司 在内的一些公司和大学正在研究全光通信网络用的微系统和无线通信网络用的射频微系统 目前在 商业上主要的应用是压力和惯性传感器 汽车安全和制动系统 以及喷墨打印头 主要由惠普公 司生产 即将投入应用的有生物医学传感器 生化分析装置 心脏起搏器 智能药丸 通信用光 纤元件及开关 高分辨率的显示器 海量存储系统 监控系统中的分布式传感器等b 1 军事上的应 用也十分的广泛 2 0 世纪7 0 年代末 作为低频应用的m e m s 开关的诞生标志着微波微机械系统研究的开端 进入 9 0 年代以后 在d a r p a 的支持下 美国休斯实验室的l a r r yl a r s o n 博士研制出了第一种作为微波应用 的m e m s 开关 随后 越来越多的公司和研究机构进入了这一领域 截至2 0 0 1 年 已有包括摩托罗 拉 三星 欧姆龙 s t 微电子等3 0 余家企业以及包括伯克利 m i t 哥伦比亚大学等众多科研机构 投身到该领域的研究中 微波微机械系统之所以能够成为m e m s 器件研究的一个热点 是因为它拥有体积小 功耗低 性能好 价格低廉的优势 例如 m e m s 开关可以构成开关网络用于通讯系统中 它与传统的用于 卫星系统的同轴开关相比 具有成本低 重量轻和体积小的优势 而与用于基站系统的p i n 极管相 比 则具有损耗低的优势 目前微波微机械系统的器件主要包括 m e m s 开关 变容二极管 高q 值电感 微机械传输线 谐振器 滤波器等 它们有潜力的应用领域包括 雷达系统 无线通讯系统 卫星系统等 4 1 1 2 课题的研究背景及进展 1 2 1 微波功率测量的概述 微波功率是表征微波信号特征的一个重要参数 微波功率传感器可以用于测量微波电路的功率 反射系数 在无线通信系统中可用来测量发射信号和接受信号的强度 进行自动增益控制 或用于电 路的保护 微波功率广泛应用在现代通信系统中的 可测量发射信号和接收信号的强度 当系统工 作在一个多用户环境中时 发射器用它来限制天线辐射的水平 在接收器中 他被用作自动增益控 制 a g c 的一部分1 5 功率的基本定义是单位时间的能量 在低频 u u s i n 0 i i s i n ot p u l c o s p 为平均 功率 本文中讨论的都是平均功率 低于1 0 0 k h z 功率由通过负载的电压和电流计算得到 随着 频率的升高 阻抗会发生很大的变化 而且电压和电流会随位置变化 难以测量 直接测量比较精 确 当频率高于3 0 m h z 时 直接测量成为唯一的测量方法 测量的方法是把一个功率传感器连接到 待测功率的传输线端口处 传感器的输出信号接到合适的功率计 随着集成电路的发展 要求把传感器与数字模拟电路集成在一块芯片上 以减小尺寸 并降低 成本 功率测量装置由功率传感器和功率表两部分组成 传统的微波功率传感器是采用同轴电缆作 为传输线的微波功率探头 或波导形式的热电功率传感器1 6 j 1 7 j 它常采用b i s b 作热电偶 也有采 2 第一章引言 用硅和氮化钽作热偶 采用同轴电缆作为传输线 其主要缺点是响应慢 烧毁水平低 测量高功率 时要用到衰减器 无法与待测的数字模拟电路集成在同一块芯片上 而且微波功率计的价格昂贵 因此 出现了用微机械加工技术制造的可与微波电路相集成的微波功率传感器 采用m e m s 方法 用集成电路的标准工艺制造的微波功率传感器可以与待测电路和输出信号处理电路实现单片集成 降低了成本 微波功率传感器按测量方式不同主要分为两类 终端式微波功率传感器和在线式微波 功率传感器 终端式微波功率传感器是将微波功率全部消耗并转化为热量 利用热电偶得到热电势 的输出 而在线式微波功率传感器是将传输的微波功率通过某种耦合机构耦合出一部分1 8 j 进而通 过耦合出的微波功率得到所传输的微波功率的大小 按测量原理不同 终端式又可分为直接加热式 和间接加热式 若采用在线式结构 便可以预先置于电路内部需要测量的位置 可测得芯片内部导 线上传输的功率 不像传统的微波功率传感器 以往由于电磁耦合在衬底中产生的感生电流引起的 损耗 以及衬底导热引起发热体发热量的损失 使得标准的c m 0 s 和g a a sm m l c 工艺无法用于微波 功率传感器的制造 去除部分衬底就可以大大减少这些损耗 使得与标准工艺兼容成为可能 微波功率传感器按工作原理分有很多种实现方式 每一种都是利用不同的器件把射频信号变成 可测的直流或低频信号 最常用的有三种热敏电阻 热电偶和二极管 热敏电阻是利用温度变化引 起电阻值的改变来测功率 二极管利用它的整流特性来把交流信号转化为直流信号 看起来普通的 硅p n 结二极管可以用来做r f 检波器 然而它的存储电荷效应限制了它的带宽 低势垒肖特基二极 管没有存储电荷效应 因此低势垒肖特基二极管被用来做检波二极管 9 l 图1 2 是检波二极管工作电 路图 热电微波功率传感器的应用最为广泛 它们的代表产品是a g i l e n t 公司的一系列以同轴电缆 输入信号的微波功率探头 厶孑r v r l e s r m a t c h i n a c b i 图1 2检波二极管工作电路 用热电偶来实现的热电式微波功率传感器是一种被广泛使用的微波功率探测装置 它主要用于 小功率的测量 它的优点是 1 0 1 无源器件 热电式传感器产生电压信号不需要偏置 2 频率范围宽 带宽仅受传输线影响 3 线性度好 传感器的非线性仅由衬底热阻微弱的非线性引起 4 响应时间 短 热时间常数的典型值为l l o u s 5 高的动态范围 输入功率范围 最低输入功率由热电偶 的热噪声决定 间接加热式传感器的最高输入功率实际上没有限制 6 是平均功率传感器 缺点是 输出电压小 热电式i i e m s 微波功率传感器可分为直接加热式和间接加热式两种 直接加热式是以一 对热偶为吸收负载 并产生直流输出 间接加热式以电阻为终端负载 电阻与输入信号的波导相匹 配 功率被电阻完全吸收 在电阻旁放置热堆 电阻的焦耳热使热堆产生与输入功率成比例的直流 输出电压 间接式结构灵敏度高 不需要接输出隔直电容 但热堆中这些小的热偶会产生寄生电抗 而且更容易烧毁 3 东南大学钡i 学位论卫 l2 2 删s 终端式微波功率传感器的进展 微波功率探头以同轴电缆输入信号 以 g j l e n t 公司的8 4 8 1 a 为倒 热偶材料为n 型硅和氮化 钽其外形如图l3 幽l4 为整个传感器的内部结构图 微波功率探头中所使用的热偶芯片帖住蓝 宝石基座上 输 信号采用渐近式共面波导传输线 圈i5 魁热电偶芯片的俯视吲 如图所示热偶的 尺寸为08 1 m m 08 1 m m 图i6 是热电偶芯片结构的剖视图 基座为倒梯形 材料是p 型硅 由各 向异性腐蚀而成 上面支撑着一个n 型硅的薄层 外延形成 金引线穿过氧化硅绝缘层和n 型硅薄 堪中的重掺杂接触区 金引线和掺杂隧的接触处是热偶的冷点 在掺杂区的另一端 有氢化钽金属 与之接触 氮化钽是淀积在氮化硅介质层上 接触点为热偶的热点 掺杂区是 根热偶臂 氮化钽是 另一根热偶臂 两端的金属引线不但是电连接 还为传走芯片上的热量提供了良好的热通路 1 该芯 片总的热电功率为2 5 0 uv k 适用的频率范围是l o 删z 1 8 6 h z 输 功率范围为03 uw 到3 0 0 r o w 灵敏度为16 v w 图i3 微波功率探头外型图 图14 热电偶式微波功率探头内部结构图 镕一 日 自 日医 幽1 5热电偶芯片俯视囤 图16 热电偶芯片剖视图 国外对m e m s 微波功率传感器方面的研究工作已经开展了十多年 与标准工艺兼容的o a o s m e m s 热电微波功率传感器研究的代表是美国的g e o r g ew a s h i n g t o nu n i v e r s i t y 他们研制了直 接加热式 和间接加热式 共三种结构 井使用硅微机械加工技术帆正面刻蚀衬底 他们 研制的直接加热式微波功率传感器 如图17 a b 灵敏度达13 m v m w 超过了a g i l e n t8 4 8 1 a 的1 6 0 肿 m w 动态范围 即输入功率范围 为一3 0 d 8 n 到l o d b m 工作频率范围从直流到2 0 g b z 问接式结构的灵敏度更达到53 2m v 胛 油 豳 二霸 a b 图 7两种c m o sm e m s 直接加热式微被功率传感器俯视图 a 和 b 5 静 东南人学硕t 学位论女 该传感器通过m o s i s 服务 用2m m阱 一艺制造 最后在实验宝进行后道刻蚀 它的热偶 材料是多品硅和铝 庄电阻的两侧有两千从正面开的孔 它们是使片j 复合刻蚀的方法樽到 第 一步 使用氟化氲气体进行再向刷性腐蚀 大约五分钟之历 电阻两边的凹坑将会在电阻f 方 连接 这时就可以进行并向异性腐蚀了 芯片被放到9 2 c 的e d p 水单一小时 硅片沿品向被腐 蚀 形成一个倒金字塔形的坑 rr l 1 1 曲 b 图19 一种g a a s 终端式热电微波功率传感器的剖视图 曲和俯视图 b 一 m 罂j a 崩勰 m1if 矬 第一奄引言 1 3 课题的主要工作 本课题的主要研究内容是研制g a a sm e m s 终端式热电微波功率传感器 工作内容如下 1 m e m s 终端式热电微波功率传感器结构及实现工艺的设计 根据 传热学 半导体物理 等 书及相关文献 研究热电式微波功率传感器的工作原理 参照g a a s 标准工艺所允许的工艺条件 设计出直接加热式和间接加热式两种结构的工艺实现方案 2 相关性能的软件模拟与分析 主要是温度场和微波s 参数 讨论影响器件温度和阻抗匹配的因 素 并进行验证 用c o v e n t o rw a r e 软件对结构的温度场进行模拟 根据温差可估算出输出电压 用h f s s 软件模拟传感器结构的反射系数 3 流片及测试 在五十五所的g a a sm m i c 工艺线上流片 并对传感器结构进行在片测试 主要 是试输出电压与输入功率的关系 输出电压与频率的关系 以及反射系数 之后对存在问题进行分 析并对设计进行改进和优化 目前该项工作尚在进行中 1 4 本章小结 本章首先对什么是m e m s 和它的研究领域进行了一些简单的介绍 然后讨论了本课题的背景及 研究意义 国内外在这方面的研究进展及现状 总结了目前各种m e m s 终端微波功率传感器的原理 和实现方法 最后给出了本论文所完成的主要工作 7 东南大学硕士学位论文 2 1 基本理论 第二章终端式微波功率传感器的原理和结构 2 1 1 传热学的基本原理 传热学是工程热物理的一个分支 是研究热量传递规律的学科 它和工程热力学都是研究热现 象的理论基础 l 工程热力学第二定律指出 热量只能自发地由高温处传到低温处 因此哪里有温 度差 哪里就有热量传递 热量的传递过程分为稳态过程和非稳态过程两大类 凡物体中各点温度 不随时间而改变的热量传递过程称为稳态过程 反之则称为非稳态热传递过程 例如 对测试结构 开始加热的时候 结构热量传递的过程属于非稳态过程 而当结构和自然环境达到热交换平衡之后 其热传递过程属于稳态过程 热量传递有三种基本的方式 热传导 热对流和热辐射 在实际中 热量的传递过程往往是由 两种或者三种基本传热方式共同组成的 1 热传导 当物体内存在温度差或者两个不同温度的物体相互接触时 在物体各个部分之间不发生相对位 移的情况下 物质微粒 分子 原子或自由电子 的热运动传递了热量 这种现象称为热传导 简 称为导热 图2 1 通过平壁的导热 如图2 1 所示一块大平壁 壁厚为h 一侧表面面积为彳 两侧表面分别维持均匀恒定温度7 1 和 乃 则单位时间内从表面1 传导到表面2 的热量 热流量 与导热面积月和导热温差 7 i 一1 2 成 正比 与厚度h 成反比 可以写成 似p a 早叱a 等 眩 式中 知一比例系数 称为热导率或者导热系数 它反映物体导热能力的大小 单位是w m k 第二苹终端武微波功率传慝器的原理和结构 t 一导热温差 单位是 或k 当我们把一导热体分割成无限薄的薄片时 就可以通过极限的概念把式 2 1 写成如下的微分 形式 矽 k p a 詈 2 2 式中 7 为导热体等温面的法线方向 这就是导热基本定律 又称为傅立叶定律 温度场通常是空间坐标 x y z 和时间坐标 t 的函数 在笛卡儿坐标中温度场可以表示 为 t f x y z r 2 3 o 红 出 电 h 圣x 图2 2 微元体的导热 对于稳态温度场 它又可以简化为 t f x y z 2 4 对于图2 2 中所示一个导热微元体 利用傅立叶定律可以得到如下的函数关系式 要 筹 窑 1 1 o y 筹z 去 c 2 固 一 一l 一 一一l 一 一 tz1 a f p ciax 2 2 a 2 j 肛 这称为导热微分方程 其中p c 分别是物体的密度 热容 内热源强度 对于没有内热源的一维稳态导热 式 2 5 可以简化为 窑 0 2 6 叙2 7 下面来讨论一下式 2 5 的定解条件 导热微分方程式对导热物体内部温度场内在规律的描述适用 于所有导热过程 因而要获得特定情况下导热问题的解必须附加限制条件 这些限制条件称为定解 条件 定解条件包括时间条件和边界条件 时间条件给定某一时刻导热物体内的温度分布 如果以 该时间作为起始点 则时间条件称为起始条件 东南人学硕士学位论文 t t x y z r 定解条件是指导热物体边界处的温度分布或表面传热情况 边界条件通常可以分为以下三类 第一类边界条件 给定物体边界上任何时刻的温度分布 t f w x y z r 2 7 根据物体边界处传热特点的不同 第二类边界条件 给定物体边界上任何时刻热流密度分布卯 一五 飘刮x y z r 第三类边界条件 给定物体边界与周围流体之间的表面传热系数s 及周围流体的温度t r 一兄 争s t w t f 2 8 2 9 2 1 0 图2 3 流体与固体壁面的对流传热 2 热对流 流体中温度不同部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程叫热对流 例如 测试结构和 周围大气环境之间就存在着热对流 物体各部分之间由于密度差而引起的相对运动称为自然对流 而由于机械的作用或其它的压差引起的相对运动称为强迫对流 受迫对流 实际上 热对流往往伴随着导热 例如 测试结构周围的空气流体流过结构表面壁构成复杂的热量 传递过程 称为表面对流传热 简称为对流传热 如图2 3 所示 当温度为乃的流体流过温度凡 品 疗 面积为a 的固体壁 对流传热的热流量中 可以写成面积a 流体和壁面的温度差 t 成正 比的形式 即写成 诈 s e a t 2 1 1 这就是牛顿冷却公式 是表面对流传热系数 简称传热系数 单位是w m k 3 热辐射 物体通过电磁波传递能量的过程称为辐射 任何物体 只要温度高于0 k 就会不停地向周围空 1 0 第二章终端式微波功率传感器的原理和结构 间发出辐射能量 热传导和热对流在物体直接接触时才能进行 而热辐射的电磁波可以在真空中传 播 在热辐射传递能量的过程中伴随有能量形式的转换 这是热辐射和热对流的不同所在 对于一 个受热的结构 一方面它不断地向周围空问发出热辐射能 另一方面它也不断接收周围物体辐射给 它的热量 这样 结构发出和接收热量的综合过程称为表面辐射传热 简称辐射传热 它可以用如下的式子来表示 矽 6 s a o b t 1 4 一t 2 4 2 1 2 其中 肛黑体的辐射面积 单位是m 2 口卜黑体辐射常数 o b 5 6 7 1 0 8 w m k 4 一系统 发射率 乃 蝴别是结构与周围环境的温度 单位是k 在微波功率传感器的研究中 与热传导相比 空气的自然对流和热辐射产生的热量损失很小 可以不考虑 2 1 2 共面波导的微波特性 共面波导的结构是在介质基片上制作出中心导体带 并在紧邻中心导体带的两侧制作出接地板 而介质基片的另一面没有导体层覆盖 这样就构成了共面波导 或称之为共面微带传输线 为了使 电磁场更加集中于中心导体带和接地板所在面的空气与介质的交界处 则应该采用高介电常数的材 料作为介质基片1 7 这种结构 由于中心导体与接地板位于同一平面内 因此对于需要并联结构的 元 器件很方便 也就是因为这一点 在终端式热电微波功率传感器中非常方便实现终端电阻的并 联 所以就应用它来进行信号传输 c p w 的基本结构如图2 4 所示 图2 4 共面波导结构截面示意图 通过改变c p w 的截面尺寸可以调整c p w 的特征阻抗z 0 7 3 0 xx k 一面丽 k k 厕2 质 怯 2 器 l 姐7 陪 2 篇 m 7 鲰引 2 1 3 2 1 4 2 1 5 东南人学硕j j 学位论文 七 旦 口 鱼 6 曼 w b22 铲 字粼裂 忙矧 2 1 6 2 1 7 2 1 8 其中s 是信号线宽度 w 是信号线与地线的距离 s 是介质的介电常数 而s 是介质的有效 介电常数 k 岁乏伍 是第一类椭圆积分比 通常微波功率传感器结构中c p w 的z 0 2 5 q 当c p w 传输波的时候 它的损耗有三种 介质损耗 导体损耗 辐射损耗 一般而言 辐射损 耗很小 可以忽略 而且介质损耗相对于导体损耗来说要小得多 因而导体损耗就是主要的损耗 导体损耗有很多原因 传导率 趋肤效应 表面粗糙度等 减小导体损耗可以通过选择传导率较高 的金属 金属厚度 3 5 万 趋肤深度万 1 一 是介质磁导率 盯是金属电导率 尽可能 4 f z t u c r 的提高工艺精度以及降低表面粗糙度等方法实现 对c p w 而言 要确定其性能是否优越 可以用网络分析仪测其短路 开路时的s 参数 s 1 l s 2 1 s l 1 s 1 1 一一回波损耗 它涉及到器件反射的射频损耗 对该数值有主要贡献的因素是共面波导与终端 负载之间的阻抗失配 2 s 2 l 一一插入损耗 它涉及到器件的射频损耗 对该数值有主要贡献的因素宝包括在中 低频下 信号线和接触的差分电阻以及高频下趋肤效应的损耗 用s 参数可得到单位长度的传输常数 有效介电常数 再用传输常数得到特征阻抗 理想状况 时 传输常数为c 光速 插入损耗为零 2 1 3 热电效应 塞贝克效应 3 l 当两个不同的导体a 和b 两端相接 组成一个闭合回路 如果两个接头a 和b 有不同的温度 则线路中便有电流 这种电流称为温差电流 这个环路便组成所谓温差热电偶 产 生电流的电动势称为温差电动势 温差电动势亦称塞贝克电动势 其数值一般只与两个接头的温度 有关 1 2 第二章终端式微波功率传感器的原理和结构 t 2 c u a b d t 1 b u a b t 2 t l a a b 图2 5 两种导体产生热电势的示意图 a 开路 b 闭路 在讨论温差电动势时 常采用开路的情况 如图2 5 接头a 和b 的温度分别为t l 和t 2 在温 度为t o 处的开路两端 c 和d 的电势差为温差电动势u 籼角码a b 的次序表示如果t 2 t l 若电路 闭合 则在温度为t 2 的接头 电流由导体a 流向导体b 这种情况u 曲为正的 反之为负 令t 2 t l t 如果 t 很小 由温差a t 产生的电动势为 u a b 则定义温差电动势率 a b d u a b d t 2 1 9 qa b 为单位温差时的温差电动势 亦称塞贝克系数 单位为v k 若a b 都是半导体 由于每一种半 导体两端都引起电荷的积累 因此产生电场 形成温差电动势 引进某种材料的绝对温差电动势u 则每种材料的绝对温差电动势率为a 等 而两种材料的温差电动势为他们的绝对温差电动势之 差 铲等 期 一 乳砘吨 眨2 n 型半导体的温差电动势率qn 为 口 一k o 2 彘 2 2 1 如果a 是金属 b 是半导体 则温差电动势率为 口a b 口半一口金 2 2 2 口a 一 万2 k 0 2 t 2 一 2 3 口a 一一 l 重 q e f 一般金属的费米能级数量级约为几个电子伏特 所以 金属的温差电动势率的绝对值约在0 与1 0 w k 之间 而室温附近 半导体的温差电动势率有几百w k 比金属要高的多 因此在金属和半导体组 成的温差热电偶中可以略去前者 热电式微波功率传感器是应用最为广泛的一种 它主要的结构有两种 直接加热式结构和间接加 热式结构 以下将分别进行介绍 1 3 东南大学硕t 学位论文 2 2 终端式热电微波功率传感器的工作原理和结构分析 2 2 1 直接加热式微波功率传感器工作原理 p e l 葛 a b s o r b e r r e l i i 暑t o t 袅t e m p s e l l s o t 目 鲫i 图2 6 直接加热式结构的信号流图 图2 7 直接加热式微波功率传感器结构图 直接加热微波功率传感器是以热偶本身的电阻吸收微波功率发热 它的的特点是终端电阻同时 又是作为传感部分的热电偶 这个终端是由完全相同的两对热偶开路 首尾串接而成并成对称分布 每对热电偶的电阻都为1 0 0 欧 两根热偶臂的材料分别为掺杂半导体和金属 硅工艺中通常使用掺 杂多晶硅和铝 它们的连接方式如图2 8 所式h 对于微波信号它们是并联的 构成5 0 欧姆的终端 负载 与共面波导相匹配 对于输出电压它们是串联的 使得产生的直流电压相加输出 图2 9 是 该结构的等效电路哺 1 4 第二章终端式微波功率传感器的原理和结构 接信 号线 图2 8 热电偶结构图 输出 图2 9 直接加热式微波功率传感器的等效电路 图2 1 0 直线形热偶结构图 根据传热学原理 假如用如图2 1 0 所示的直线型热偶 由导热微分方程求得有内热源一维平壁 的温度为 6 孚手托 眩2 4 t 是温度 q v 是热流密度 入是传热系数 c l c 2 为待定系数 用第一类边界条件 设边界温度为t o 令最高温度在交界处 可求得 d t 一 0 d x 2 2 5 2 2 6 2 2 壁刎 出 东南大学硕士学位论文 6 是长度 a 是截面积 p 是电阻率 r 蚴 又有 i m a x 一 2 m 所以 4 a 1 一 疋 4 2 2 7 即可求解出l 兰 7 0 时热点才会出现在金半接触点 彳l彳2 由于在半导体金属热偶中 热电势主要由半导体产生 因此 温度最高点在金半接触处产生的 热电压最大 但是由于金属和掺杂半导体的电阻率和热导率相差很大 因此若金属和半导体的热偶 臂长度相同 则两端温度相同时 温度最高点出现在接近半导体的中点处 热电压将会非常小 几 乎为零 而梯形电阻发热不均匀 细的部分电流密度大因 此发热密度大于粗的部分 且粗的部分 与外界环境相连 散热快 因此中间温度高于两端 使用梯形热偶可以把温度最高点移到金半接触 点处 形成产生热电势所需要的温差 具体的温度分布将在下一章中用软件模拟进行验证 前面我们讨论的梯形热偶用于单层金属结构的直接加热式微波功率传感器 如图1 8 a 所示 图中的热偶为a i p o l y 热偶 还有一种双层金属结构 如图1 7 b 该结构利用a 1 2 制作了一个冷却 环 这样多晶硅热偶臂的一端与细的铝热偶臂相连 另一端与大面积的第二层金属相连 两端的热 流量不同 从而产生温差 2 2 2 间接加热式工作原理和基本结构 间接加热式微波功率传感器以电阻为终端负载 电阻与输入信号的波导相匹配 功率被电阻完 全吸收 在电阻旁放置热堆 热堆是由若干对热偶首位串联而成 冷端全部在一边 热端全部在另 一边 电阻的焦耳热使热堆产生与输入功率成比例的直流输出电压 结构见图2 1 1 和图2 1 2 其面波导 图2 1 1 间接加热式结构俯视图 1 6 输出压焊块 第二章终端 微波功率传感器的原理和结构 p e l 弓 热电偶 图2 1 2 间接加热式结构的剖视图 爿 t 净v o u l 图2 1 3 间接加热式结构的信号流图 从图2 1 3 所示的等效网络图可以看出该传感器的功能 p l 是源端输入功率 v s 代表微波输入 功率的等效直流电压 r 是终端的吸收电阻 而p l h 是电阻r 上吸收了微波功率转化成的热功率 该 热功率通过热电堆进行测量得到输出电压v 咖 如果我们忽略热对流和热辐射效应 那么温度梯度 t 就等于热功率p m 除以热导k 那么 我们就得到下面的公式 9 j 等譬 等匕 2 2 8 间接加热式结构的主要性能指标是灵敏度s 热堆的信噪比s n r 和反射系数s 1 l s 吃 尸 2 2 9 n 瓦 7 0 j s n r s v 圪 4 k t r b 2 2 3 0 2 3 1 2 3 2 s 为灵敏度 v o l r r 为输出电压 p 为输入功率 圪为噪声电压 为s e e b e c k 系数 瓦和t o 分别 为热电偶热端和冷端的温度 k 为玻耳兹曼常数 t 为热力学温度 r 为热堆的电阻 b 为带宽 由式 2 2 9 可知 由于s e e b e c k 系数呸 为常数 所以v o u t 主要由热堆的 瓦 7 0 决定 影响 1 7 东南人学硕士学位论文 瓦 t o 的因素 1 0 l 首先是热偶对数 热偶的对数越多 总的温差越大 其次 每对热偶冷热点 之间温差的大小与热偶的长度l 及热堆与终端电阻之间的距离d 有关 随着热偶长度变长 热偶上的 热传导将会减少 冷热点之间温差会变大 但是随着长度的变长 热偶的电阻将会变大 从而导致 噪声电压变大 信噪比交小 因此对热偶长度需要进行折衷的选择 间距d 越小 热偶的热端离终 端电阻越近 从而可以获得较高的温度 但是间距很小时至少有两个限制 第一是影响终端电阻与 共面波导之间的宽带匹配 热堆与终端电阻的距离太近会增加终端电阻的寄生电容 从而使电阻不 能与特征阻抗为5 0q 的信号线实现最佳的匹配 第二 热堆靠近终端电阻会增加热传导 使终端电 阻上的热量散失的更多 对于增加灵敏度而言 熟偶的对数应该越多越好 但是热偶对数的增加会 导致热堆寄生电阻的增加 从而影响匹配 本文所设计结构中的热偶宽度由工艺规则中所允许的最 小线宽来确定 由此确定热堆中的热偶对数 g e o r g ew a s h i n g t o nu n i v e r s i t y 对他们所研制的c m o sm e m s 间接加热式微波功率传感进行过结构 尺寸对性能影响的一些研列7 l 用s p i c e 模拟的方法得出以下一些曲线 h 勺p o r l n r o 帕 一 置 h a o o a 1 8 第二章终端式微波功率传感器的原理和结构 c 图2 1 4c m o sm e m s 间接加热式微波功率传感器尺寸灵敏度的影响曲线 a 与热偶对数关系 b 与间距d 的关系 c 与热偶长度的关系 由图2 1 4 a 可看出热偶对数越多 传感器的灵敏度越高 对数较少时 灵敏度随对数的增幅较 大 对数超过一定数值时 增幅变小 我们在设计时受到工艺条件的限制 最小线宽为4 微米 最小 线间距也是4 微米 我们以此为依据设计尽可能多对热偶 由图2 1 4 b 口 i 知随热偶长度的变化 灵敏度单调增加 由图可知随着终端电阻与热堆的间距d 的增加 灵敏度先增加 再减小 从而有一个极大值点 原因已分析过了 在下一章我们将通过软 件模拟来确定这个极点 由于电磁耦合在衬底中产生的感生电流引起的损耗 以及衬底导热引起发热体发热量的损失 使得标准的c m o s 和g a a sm m i c 工艺无法用于微波功率传感器的制造 去除部分衬底就可以大大减少 这些损耗n 订n 副 2 3 本章小结 本章首先介绍了本传感器设计中所涉及的主要的基本物理学原理及设计理论 接下来分别介绍 了直接加热式和间接加热式两种终端式微波功率传感器的工作原理 对各种结构进行分析 详细分 析了直接式结构的热偶的设计 影响间接加热式结构的性能的各个因素 并对它们的优缺点进行了 比较 1 9 第三章g a a s 基终端式微波功率传感器的设计与分析 3 1 直接加热式微波功率传感器的设计与分析 3 1l 温度场的模拟 南式 22 9 可见要知道输出电脏的人小 茸先需要知道热偶冲热电的温差 闻此要知道结构 的温度分布 奉立 p 使川c o v e n t o r 软什对湍度场进行了模 i f l 谊软州是世界预先的m e m s 领先 的c a d 软什1 1 只厂商c o v e n t o r 公r d 的产品 足专川的m e m s 设h 软件 它拥有系州设计和分析 样序模块 能够进行从版矧吐计刮一维模制生成 进1 1 j 对二维模型进行力 热 光 电等物理场的 求解和耦台分忻 l r 删j 传感嚣 驱动嚣 r f 以及微流体m e m s 的开发 令1 湖3i用c o v e n t o r 软件绘制的结构图 匹s 卫臣2 1 卫匝叠盛 了 n g s e n i m 缕 金 圈3 2c l 接加热式结构的削视图 h3l 是刚c o v e n t o r 绘制的 接加热式微波功率传感器的结构圈 t 底厚度为1 0 0 1 a m i 嘶 波导的尺寸为s 1 0 0r m w 7 2 u m 梯形热偶的k 边6 0 帅 短边1 0 l a m 商1 1 l 帅 p a d i0 0 岍1 州0 0 帅 整个传堪器j t 寸为6 0 0 m x s o o u m 其剖视酬见l q3 2 波边界温j 立3 0 0 k 输入功率2 0 r o w 软作 中小自 加微渡信o j 仙由丁所测是平均功率 田此 i 咀川fl 流功卓 特 衬腹的存a