热电式MEMS微波功率传感器模型的研究

为了提高热电式微机电系统(MEMS)微波功率传感器的灵敏度特性,建立了噪声系数、时间常数和灵敏度的理论解析模型。根据理论解析模型,分析得到了影响噪声系数、时间常数的首要因素、次要因素;然后,探究了噪声系数和时间常数对灵敏度特性的制约;最终,发现制约热电式MEMS微波功率传感器灵敏度特性的两个关键结构参数:热电偶的长度和数目。依据所建立的理论解析模型,设计了一种渐变结构的热电式MEMS微波功率传感器,实验表明该传感器在8~12 GHz频率范围的回波损耗在-22~-19 dB,具有较好的匹配特性。系统灵敏度分别为0.23 mV/mW@8 GHz、0.22 mV/mW@10 GHz、0.21 mV/mW@12 GHz,较与传统结构的灵敏度特性有了较大改善。因此,所建立的噪声系数、时间常数和灵敏度的理论解析模型对于研究热电式MEMS微波功率传感器具有一定的参考价值和指导意义。     

对称式微波功率传感器的设计

为了克服传统微波功率传感由于失配和热损耗带来的微波功率测量误差,提出了一种基于MEMS技术的对称式微波功率传感器,对该微波功率传感器的微波损耗、温度分布以及微波功率的精确测量进行了研究.首先,根据提出的损耗模型推导了微波损耗功率和损耗电压的表达式,并建立了该传感器的传热解析模型;接着,设计并制作了该微波功率传感器;最后...     

Ku波段MEMS微波功率耦合器设计

针对现有的微波功率测量都基于热电偶和二极管等终端器件,功率信号在被检测后无法利用的问题,设计了一个基于微机电(MEMS)射频(RF)并联开关在Ku波段(12.4~18 GHz)应用的微波功率耦合器,包括等效电路、共面波导(CPW)匹配的设计和结构仿真。该耦合器是MEMS微波功率传感器的核心,它利用MEMS膜桥耦合CPW上的微波功率信号,大部分功率信号被检测后都能传至下级电路做进一步处理。为了减小反射损耗和获得宽频带响应,提出了两种优化方法,即凹槽调谐结构设计和补偿电容设计,经过优化设计后的Ku波段MEMS微波功率耦合器的回波损耗(S₁₁)和插入损耗(S₂₁)在中心频率15.2 GHz处分别达到了-42.90 dB和-0.15 dB,显示出耦合器的高隔离度和低损耗。同时在Ku波段,上述参数同中心频率点处的偏差分别为±6.41 dB和±0.04 dB,显示出其宽带特性。     

热电式MEMS微波功率传感器结构优化的研究

为了改善热电式微电子机械系统(MEMS)微波功率传感器的综合性能,研究了负载电阻与热电堆的间距、衬底背面刻蚀的厚度、长度以及热偶长度4个结构参数,将传感器分成3个区域讨论,建立了热电式MEMS微波功率传感器的灵敏度解析模型。此外,还研究了热电式MEMS微波功率传感器的时间常数模型,传感器的时间常数由负载电阻和热电堆的时间常数组成。最后,根据理论模型分析得出当减小负载电阻与热电堆的间距、增加背面刻蚀厚度、长度以及热偶长度为400μm时,能在保持较小的时间常数的情况下提高灵敏度,从而改善热电式MEMS微波功率传感器的综合性能,这对热电式MEMS微波功率传感器的结构参数的设计与优化具有一定的参考价值和指导意义。     

MEMS微波功率传感器拉格朗日模型的研究

为了改善热电式微机电系统(MEMS)微波功率传感器的综合性能,首先对负载电阻至热电堆的距离、热偶长度、热偶数目建立灵敏度、噪声系数和时间常数的理论解析模型。根据理论解析模型,分析得到了时间常数、噪声系数对于灵敏度的制约作用。然后基于拉格朗日乘数法建立了在特定噪声系数、时间常数限制下的灵敏度优化解析模型。最终,依据所建立的灵敏度优化模型,得到热电式MEMS微波功率传感器灵敏度最大时的负载电阻至热电堆的距离、热偶长度、热偶数目。实验表明:与传统结构的传感器相比,依据该结构参数设计的传感器的灵敏度特性有了较大改善。因此,所建立的基于拉格朗日乘数法的灵敏度优化解析模型对于研究热电式MEMS微波功率传感器具有一定的参考价值和指导意义。     

耦合式 MEMS 微波功率传感器的研究

为了从根本上解决在线式微波功率传感器灵敏度、动态范围和微波性能之间的矛盾,本文创新性地设计出一种耦合在 线式 MEMS 微波功率传感器,将微波功率的提取和检测两个过程相互独立。 根据理论解析模型,得到了灵敏度特性与耦合度 的关系,分析对比了耦合度分别为 10% 和 20% 时的微波特性及灵敏度特性差异。 实验结果表明:两种耦合式 MEMS 微波功率 传感器的反射损耗均小于-20 dB,说明具有良好的反射性能;两种耦合式 MEMS 微波功率传感器的插入损耗均大于-1. 5 dB,说 明具有良好的传输性能。 耦合度 10% 的系统灵敏度为 1. 2 mV/ W @ 9 GHz、1. 4 mV/ W @ 10 GHz 和 0. 8 mV/ W @ 11 GHz,耦合 度 20% 的系统灵敏度为 2. 4 mV/ W @ 9 GHz、2. 4 mV/ W @ 10 GHz 和 1. 3 mV/ W @ 11 GHz,并具有良好的线性度。 本文对于 MEMS 微波功率传感器研究具有一定的参考价值。     

MEMS微波功率传感器等效电路模型的研究

为了提高热电式微机电系统(MEMS)微波功率传感器的灵敏度,需要对传感器的热电特性进行研究。首先根据热-电变量之间的等效关系建立了传感器的等效电路模型,利用该模型研究了不同的GaAs衬底厚度对负载电阻电-热转换能力的影响;接着建立理论解析模型研究热传导、热对流、热辐射对不同衬底厚度的传感器的电-热转换能力的影响,推导出相应的负载电阻温度分布,验证了等效电路模型;最终,在等效电路模型的基础上建立灵敏度与噪声系数模型,综合考虑它们之间的制约关系,得到了使传感器综合性能最佳的衬底厚度设计区间。根据建立的等效电路模型,对特定衬底厚度下制备的热电式MEMS微波功率传感器进行实验测试,频率测量范围达到30 GHz,输入微波功率从1 mW增加至100 mW。该功率传感器结构的灵敏度分别为0.184 3 mV/mW@1 GHz、0.130 1 mV/mW@10 GHz、0.101 3 mV/mW@20 GHz、0.071 8 mV/mW@30 GHz,并且该结构具有较大的动态测试范围。     

基于单片式微波集成电路的终端式MEMS微波功率传感器(英文)

提出了一种基于塞贝克效应的终端式MEMS微波功率传感器,该传感器的制作工艺与GaAs单片式微波集成电路(MMIC)工艺兼容.利用热电偶检测温度差,生成与微波功率成比例的直流电压,由GaAs/Au热电偶串联构成热堆.传感器将电功率转化为热,再间接测量热堆生成的直流电压.采用微机械加工技术,去除了器件底部的GaAs衬底,从而减小了热损耗和电磁损耗,提高了灵敏度.测试结果表明,在0～20 GHz内,HFSS模拟的S11＜-22 dB;测试输入功率为-20～20 dBm时,频率为0～20 GHz;在20 GHz时,灵敏度高于0.15 mV/mW;在整个频率范围内,回波损耗低于-26 dB.     

基于三层悬臂梁结构的电容式风速传感器设计

为解决传统电容式测风传感器的输出非线性,设计了一种基于MEMS微机械加工技术的电容式风速传感器.传感器的敏感结构创新性地采用了一个三层结构的悬臂梁,这种三层结构的悬臂梁构成了一个平行板电容器.风力作用于传感器敏感结构引起电容器的极板面积、极板间距以及绝缘层介电常数的变化,从而引起电容器输出电容的变化,通过测量传感器输出电容的变化值可以实现风速的测量.基于流体力学原理和多层悬臂梁理论对传感器进行了理论分析,并为传感器设计了制作工艺流程.     

2.45 GHz印刷倒F天线的研究与实现

针对当前无线通信节点微型化的需求和已有印刷倒F天线存在增益不足、有效带宽较窄、回波损耗偏高等缺陷的现状,设计了一种应用于2.45 GHz无线传感网络的印刷型倒F天线,文中采用Ansoft HFSS建立了天线模型,从理论上对印刷倒F天线的三大结构参数(谐振长度L、天线高度H、两竖臂间距S)进行了仿真研究,并最终推导出了以2.45 GHz为中心频点的最优天线结构参数,即L=16.2 mm,H=3.7 mm,S=5 mm。在该结构参数下的仿真结果展现出了天线优异的辐射性能,其回波损耗低至S11=-47.8 d B,电压驻波比VSWR2的有效带宽为160 MHz。同时,还采用矢量网络分析仪对天线实物的回波损耗特性进行了测试,测试结果与仿真结果吻合。最后,设计出了加载该印刷倒F天线的CC2530无线通信节点,并对其通信性能进行了实际测试,节点的通信性能测试结果表明:加载了该印刷倒F天线的节点在80 m的通信距离内丢包率为0.17%,优于同类无线通信节点。     

用于多频振动的MEMS复合式能量采集器的设计

设计、模拟了一款用于多频振动的MEMS复合式能量采集器,提出了一种新颖的能量采集结构,即将压电式悬臂梁和可变电容器结合起来用于多频振动能量的采集。在建立多频振动能量采集系统分析模型的基础上,使用MatLab/SIMULINK的数值模拟,预测了功率输出。模拟结果显示,该结构可在630~655 Hz有效工作,在负载为50 kΩ时,输出功率可达13.46 μW。基于这个结果,给出了一个优化设计方案,同时为了防止结构失效,对结构进行了有限元仿真分析。仿真分析结果显示了良好的预期性能,说明了该设计指导思想的合理性和先进性。     

Modeling and characterization of a cantilever-based near-field scanning microwave impedance microscope

This paper presents a detailed modeling and characterization of a microfabricated cantilever-based scanning microwave probe with separated excitation and sensing electrodes. Using finite-element analysis, we model the tip-sample interaction as small impedance changes between the tip electrode and the ground at our working frequencies near 1 GHz. The equivalent lumped elements of the cantilever can be determined by transmission line simulation of the matching network, which routes the cantilever signals to 50 Omega feed lines. In the microwave electronics, the background common-mode signal is canceled before the amplifier stage so that high sensitivity (below 1 aF capacitance changes) is obtained. Experimental characterization of the microwave microscope was performed on ion-implanted Si wafers and patterned semiconductor samples. Pure electrical or topographical signals can be obtained from different reflection modes of the probe.     

表面粘贴式MEMS应变传感器的应变传递分析

表面粘贴式MEMS应变传感器已被广泛运用于航空航天、汽车工业及土木工程等领域的应变测量和监测中。但由于粘接层的影响,结构的应变并不能全部准确、有效地传递到MEMS应变传感器上,造成传感器的测量值与结构的真实应变之间存在一定误差。为了分析表面粘贴式MEMS应变传感器的应变传递机理,基于剪滞理论建立了MEMS应变传感器的力学分析模型,推导出基体和MEMS应变传感器基底上的应变分布、粘接层中的剪力分布及表征MEMS应变传感器应变传递效果的应变传递率,并与有限元数值模拟结果进行了比较。特别地,具体分析了粘接层及MEMS应变传感器基底的几何参数和物理特性参数对应变传递率的影响。结果表明,金属类粘接材料的应变传递率明显高于有机胶的应变传递率,且粘接层厚度越薄,应变传递效果越好。此外,在制造MEMS应变传感器时,采用厚度较薄的Si或Si C基底能保证较高的应变传递率。     

基于槽式悬臂梁结构的微质量传感器设计

压电式微质量传感器的测试精度直接依赖于结构频率对质量变化的灵敏程度。本文利用对称槽型梁和压电薄膜组成的对称敏感结构,提出了一种提高传感器灵敏度的结构设计方法,并设计了一种高精度谐振式微质量传感器。建立了结构频率变化对吸附质量敏感性的分析模型,并研究了槽型截面参数、自振频率及振动模态对灵敏度的影响。与矩形截面结构进行了仿真与实验对比,结果表明,相同几何尺寸参数下,槽型截面悬臂梁的一阶自振频率为1 851 Hz,矩形截面悬臂梁的一阶自振频率为1 610 Hz,相应的传感器灵敏度则分别为3.12×10⁴ Hz/g和1.5×10⁴ Hz/g,前者是后者的2倍。该项设计为提高微质量传感器灵敏度提供了一种新思路。     

Mechanical and dynamic characteristics of double and single beam cantilevers for MEMS manipulation

Micro and millimeter-scaled cantilever beams are commonly used to apply and measure microforce and manipulate micro-objects, biological cells, and tissues. In manipulating micro-objects and actuating micro-devices by cantilever beams, sudden application and release of forces are typical, and subject to static and dynamic modes of operation. Therefore, the cantilever’s mechanical behavior and vibration characteristics are vital since they are also used in force sensors and probes. The dynamic behavior of the double beam cantilever (DBC) in micro and millimeter-scaled is explored by varying the length without changing the stiffness and compared with the single beam cantilever (SBC). The dynamic attributes such as mode shape, natural frequency, resonance, and response under the impulse force and Coulomb friction are evaluated numerically. This study will assist in selecting the appropriate type and length of cantilevers in micro and millimeter-scale to manipulate micro-objects, biological cells and tissues, and use in MEMS sensors.

     

一种新型固态静电传感器的设计与模拟

电场测量系统广泛应用于航空、航天、国防、气象、电力等多个领域.根据电场传感器工作原理,电场传感器可以分为光学(光纤)式和电荷感应式两大类.电荷感应式电场传感器有旋片结构、双球结构、火箭结构和MEMS结构.文中给出了一种新型的MOSFET感应式电场传感器,并用MEDICI软件进行了模拟.模拟结果表明MOSFET感应式电场传感器的感应电流IE和电场强度E有良好的线性关系.     

A bi-material microcantilever temperature sensor based on optical readout

As one of the simplest MEMS sensors, microcantilever can sense temperature faster and more sensitively than traditional thermometers as its small size and low thermal mass. In this paper, an Au/SiNx bi-material microcantilever temperature sensor based on optical readout is presented. The deflection of the cantilever varies with the change of temperature due to the differences in thermal expansion coefficients between gold and silicon nitride. Then, the temperature could be accurately measured by detecting the deflection of the cantilever with optical lever method. By experiments, the theoretical model is verified and the temperature characteristics of the sensor are also determined. With a commercial microcantilever, the temperature resolution of the sensor is tested to be 0.02 K when 25 mm length of optical arm set. By optimizing the microcantilever parameters, the temperature resolution of the sensor could be 0.1 mK. High sensitivity makes it suitable for some special precise temperature measurements.