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。     

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。     

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。     

双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性

为了降低双通道MEMS微波功率传感器的回波损耗,提高传感器的测量精度,对MEMS悬臂梁的匹配特性进行了研究。首先,通过双通道MEMS微波功率传感器结构构建S参数的理论解析模型,分析了双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性,得到了MEMS悬臂梁的间距和回波损耗系数S11的关系;接着利用有限元软件HFSS进行仿真,并和理论结果比较;然后,设计并制作了双通道微波功率传感器;最后,对该传感器的匹配特性进行了测试和分析。实验结果表明:当MEMS悬臂梁的间距为1.6μm时,该传感器在测量8~12GHz频率内的微波信号时,回波损耗小于-19dB。理论和仿真结果较为相符,因此S参数的理论解析模型可以较好地反映双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性,对双通道MEMS微波功率传感器的设计具有一定的指导意义。     

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。     

直接加热终端式MEMS微波功率传感器的设计与模拟

提出了一种基于GaAs MMIC工艺的MEMS微波功率传感器.根据热电效应设计了一个X波段热偶微波功率传感器的结构,并对其温度分布用COVENTOR系统软件进行模拟,用HFSS对反射系数进行模拟.输入功率0～50mW,灵敏度为0.3V/W.S11约为-15db.     

间接加热式MEMS微波功率传感器的模拟与设计

在提出间接加热终端式MEMS微波功率传感器的结构和工艺的基础上，对其基本单元：头面波导（CPW）、终端电阻和热电堆之间进行了匹配性设计，用软件HFSS进行了模拟，模拟结果包括共面波导与接触垫间的阻抗匹配的分析以及热电偶的数目和热电堆的接近对CPW性能影响的分析。根据这些模拟结果，传感器中接触垫与共面波导之间的渐进区长度设计为150μm，热电偶的对数设计为50对，热电堆与CPW之间的距离设计为50μm，并选择了GaAs和Au作为热电偶的两臂，TaN作终端电阻。     

微梁结构热偶微波功率传感器的灵敏度分析

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。微波功率测量已成为电磁测量的重要部分，可应用于很多场合，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。微波功率传感器是微波功率计探头中的核心元件。微梁结构热偶微波功率传感器选择具有低电阻温度系数的Ta2N和高热电功率塞贝克系数的Si作为热偶材料，利用半导体工艺和NEMS工艺制作。器件获得了比薄膜结构更高的灵敏度，并且具有动态范围大、零点漂移小等特点，此结构已有多种形式。着重从理论上分析了MIS结构对该传感器灵敏度的影响，并提出了一种新的结构设计，以进一步提高器件性能。     

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.     

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...     

MEMS热电堆芯片固晶工艺参数的优化

MEMS热电堆传感器能够实现对温度的精确测量，固晶工艺是其中关键一环，但目前尚缺乏有效方法精确优化MEMS热电堆固晶工艺参数。本文介绍了热电堆传感器的工作原理，提出了对固晶工艺参数（固晶厚度和爬胶高度）的要求。以固晶工艺要求为导向，初步探究了压力参数对固晶工艺的影响并进行了压力参数的优化。在优化的压力参数下，实验探究了点胶高度和贴片高度对固晶工艺的影响，并缩小了两参数的选择范围。在此基础上，通过有限元ANSYS软件，分析在相同温度下，不同固晶厚度的银浆与芯片接触处的热应力分布，找出最佳的固晶厚度参数，并精确优化了点胶高度和贴片高度。最后，通过实验验证的方式，对此参数下的MEMS热电堆固晶强度给出了检测结果。结果表明：压力参数为0.3 MPa、点胶高度为140 μm、贴片高度为460 μm时，固晶推力均值为43.14 N。其固晶质量最好，能够满足固晶强度要求，有助于提高MEMS热电堆芯片封装的可靠性与成品率。     

电容读出式非制冷红外焦平面阵列设计

设计了一种长支腿式电容读出式红外焦平面阵列结构,并分析了这种像元结构的热导率、热机械灵敏度和热时间常数,从中优化出了该模型的部分结构参数,并以此为依据对像元整体尺寸进行了设计.在该尺寸模型下,得到的像元热导率为3×10-7W/K,热机械灵敏度为162 nm/K,热时间常数为35 ms,该热时间常数满足人眼识别频率的需要...     

厚度渐变结构介电性能测试用变间距叉指型相邻电容传感器设计

针对厚度渐变高分子结构介电性能检测问题,设计一种变间距叉指型相邻电容传感器。研究不同叉指个数和极板覆盖率对等间距叉指相邻电容传感器信号强度和穿透深度的影响,确定了单对叉指单元的宽度范围;研究单对叉指单元参数对相邻电容传感器性能的影响,得到单对叉指单元传感器的穿透深度;根据待测结构厚度变化规律,对组成叉指传感器电极的单个叉指单元的宽度和间距进行了优化设计,设计出变间距叉指型相邻电容传感器。仿真和试验结果表明,变间距叉指型相邻电容传感器的信号强度和灵敏度优于等间距传感器,该传感器更适合渐变厚度结构材料的介电性能检测。     

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。     

微波功率组件基板热阻研究

基于热阻解析模型,对微波功率组件基板热阻进行了理论分析,获得无量纲基板参数与基板热阻的关系曲线。借助于数值仿真计算了基板厚度对微波功率组件芯片温度的影响,并根据理论分析模型,分别测试了不同热耗和不同基板厚度条件下的芯片温度,分析了厚度、热耗和芯片温度的关系。试验结果与理论分析一致,研究结果有助于改善高热流密度微波功率组件的芯片性能。     

微压阻式传感器有限元模拟及线性度优化设计

薄膜结构微压阻式传感器在提高灵敏度过程中容易引入非线性误差,导致传感器输出性能变差。通过分析微压阻式传感器核心敏感元件结构,利用Ansys软件建立硅杯薄膜有限元分析模型,并通过弹性力学方法对有限元模拟的精确度进行验证。针对薄膜结构传感器非线性误差随灵敏度提升而急剧增加的问题,为了提高传感器的线性性能,通过在敏感薄膜下方集成双岛结构,并分析优化岛长和岛宽等结构参数,得到了一种输出线性度优良的双岛结构传感器模型。模型输出结果表明:双岛结构挠度线性度为0.8%,相比薄膜结构8.6%有了较大的改善,电压输出线性度为0.9%,能满足使用要求,且实现了高灵敏度下线性输出优良的传感器模型设计。     

基于黑硅为吸收层的热电堆红外探测器

基于黑硅对部分波长红外光的高吸收效率,结合红外探测器对吸收层材料的要求,针对以黑硅为红外吸收层的设计与测试进行了研究;设计采用工艺中刻蚀出现的"黑色"物质为吸收层材料,研究对不同波长红外光的吸收效率。根据红外基本理论,结合MEMS工艺可行性和兼容性设计一种微机械热电堆红外探测器,热偶对的排布位置进行上下设计;突破原有的硅衬底的释放困难和SOI衬底的成本过高的问题,提出一种氧化层上的多晶硅作衬底,最后器件以正面干法释放器件的方法,在提高探测器性能的同时节约成本。     

悬臂梁式环形谐振腔微压传感器的研究

针对传统微压传感器灵敏度低、体积大的问题,提出了一种新型悬臂梁式环形谐振腔微压传感器。首先理论分析了悬臂梁式环形谐振腔微压传感器的工作原理,然后对悬臂梁结构进行了建模仿真,同时也确定了悬臂梁和环形谐振腔的最佳结构参数,最后利用MEMS工艺在SOI材料上制备了该新型传感器。利用光学耦合测试平台,对所加工的环形谐振腔进行性能测试,实验测得环形谐振腔的Q值为7.75×10~4,传感器的灵敏度为31 pm/k Pa,可以满足微压传感器高灵敏度的要求。     

垫圈式压电六维力传感器静态灵敏度解析

为实现基于垫圈式压电六维力传感器灵敏度指标的多结构参数设计与优选,必须开展传感器的静态灵敏度解析数学模型研究。首先,分析了传感器的结构特点和工作原理,根据载荷在传感器内部的传递路径推导其静态灵敏度解析数学模型;然后,使用解析数学模型和基于ANSYS软件的数值模型对9组不同结构参数模型分别进行了解析计算和数值模拟,在运用统计学理论对两种方法得到的结论进行分析的基础上,验证了解析数学模型的有效性;最后,引入正交试验,结合解析数学模型研究了多个结构参数对传感器灵敏度的影响规律,优选了传感器结构参数并研制了实验样机,完成了静态灵敏度标定实验。研究结果表明:垫圈式压电六维力传感器的解析数学模型与数值模型之间的综合相关系数为0.988;实验原型相对于解析数学模型和数值模型的平均载荷传递系数分别为0.73和0.75;解析数学模型、数值模型和实验原型的综合各向同性度分别为0.71,0.71和0.67,3种模型对传感器的灵敏度研究结论一致。以解析数学模型为基础的正交试验可实现对该类传感器的多参数主动设计和优选。     

压电式喷射点胶阀位移放大机构的优化设计

采用有限元软件ANSYS对叠堆式压电陶瓷以及放大机构性能特性进行分析,研究了叠堆式压电陶瓷0-200V电压下的伸长特性;建立了放大机构的参数化模型,重点分析了放大机构位移输出特性,讨论了影响输出位移大小的各个结构参数。研究表明,三角块长度L0和压电陶瓷间距t对放大机构输出位移影响较大,是放大机构的主要参数。为点胶阀位移放大机构结构设计和优化提供了参考。