面向5G的MEMS蹺蹺板結(jié)構(gòu)功率傳感器

錢文軒　易真翔

【摘? 要】為了解決5G功率傳感器靈敏度不高的問題，創(chuàng)新性地提出一種可面向5G應(yīng)用的MEMS蹺蹺板結(jié)構(gòu)功率傳感器。S參數(shù)測試結(jié)果表明，在1 GHz—10 GHz的頻段內(nèi)傳感器的回波損耗小于-12.5 dB，插入損耗小于1.5 dB。功率響應(yīng)測試表明，內(nèi)部電容的靈敏度接近69.2aF/mW@1GHz、71.5aF/mW@5GHz和66.3aF/mW@10GHz，外部電容的靈敏度約為35.2aF/mW@1GHz、33.0aF/mW@5GHz和27.6aF/mW@10GHz，表明該蹺蹺板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高了傳感器的靈敏度。

【關(guān)鍵詞】5G;微機(jī)械MEMS;功率傳感器;蹺蹺板

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.03.016? ? ? ? 中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2020）03-0081-04

引用格式：錢文軒，易真翔. 面向5G的MEMS蹺蹺板結(jié)構(gòu)功率傳感器[J]. 移動(dòng)通信， 2020，44（3）： 81-84.

Research on Power Sensor with MEMS Seesaw-type Architecture for 5G Applications

QIAN Wenxuan1， YI Zhenxiang2

（1.China United Network Communications Co.， Ltd.， Network Technology Research Institute， Nanjing 210000， China;

2. Southeast University， Nanjing 210000， China）

[Abstract]?In this paper， a power sensor with MEMS seesaw-type architecture is proposed for 5G applications to solve the low sensitivity problem of 5G power sensors. The S-parameter testing results show that the return loss is less than -12.5 dB and the insertion loss is better than 1.5 dB for the sensors with the frequency range 1 GHz-10 GHz. The power response testing demonstrates that the measured sensitivities for inner capacitance are close to 69.2aF/mW@1GHz， 71.5aF/mW@5GHz and 66.3aF/mW@10GHz， respectively， while the sensitivities for outer capacitance are close to 35.2aF/mW@1GHz， 33.0aF/mW@5GHz and 27.6aF/mW@10GHz， respectively. It shows that the proposed seesaw-type architecture design effectively improves the sensitivity of the sensor.

[Key words]5G; MEMS; power sensor; seesaw-type architecture

0? ?引言

隨著5G商用周期正式拉開序幕，5G設(shè)備組件的設(shè)計(jì)、制造、檢測技術(shù)將直接決定相關(guān)產(chǎn)品的成本和質(zhì)量，從而影響5G網(wǎng)絡(luò)在世界范圍內(nèi)的部署進(jìn)度。其中，功率檢測被廣泛應(yīng)用于5G收發(fā)組件中，因此，功率傳感器的性能將直接決定收發(fā)模塊的未來發(fā)展[1]。

截至目前，基于MEMS技術(shù)的功率傳感器主要有兩種。第一種是Dehe[2-4]等人提出的MEMS終端式功率傳感器，其原理是將功率信號(hào)通過電阻全部轉(zhuǎn)換成熱量，其后通過塞貝克效應(yīng)檢測溫場的分布，反推出待測功率的大小。該傳感器具有線性度好、回波損耗低等優(yōu)點(diǎn)。但是，其缺點(diǎn)是待測的功率信號(hào)全部轉(zhuǎn)換成熱量，無法為后續(xù)的電路提供能量。第二種是Fernandez[5-7]等人提出的基于MEMS固支梁結(jié)構(gòu)的功率傳感器，在該傳感器中，MEMS梁和信號(hào)線之間產(chǎn)生一個(gè)等效靜電力，從而使得MEMS梁產(chǎn)生一個(gè)向下的位移。通過檢測MEMS梁與測試電極之間電容的變化，可反推出功率值。該傳感器的優(yōu)點(diǎn)是只需要消耗很少部分的功率，剩余的功率仍可為后續(xù)電路提供能量。但是，該傳感器靈敏度較低，對測量電路要求較高[8-9]。

為了解決上述問題，既實(shí)現(xiàn)在線測量的優(yōu)點(diǎn)，又提高傳感器的靈敏度，本文提出了一種新型的基于MEMS蹺蹺板結(jié)構(gòu)的功率傳感器[10]。

1? ? 原理與模型

如圖1所示，該傳感器主要包括共面波導(dǎo)傳輸線、MEMS梁和測量電極。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的是，MEMS梁并未終止于錨區(qū)，而是向外延伸了一段，形成類似蹺蹺板的結(jié)構(gòu)。當(dāng)無功率時(shí)，MEMS梁保持不變;當(dāng)有功率流過時(shí)，因?yàn)榈刃ъo電力的下拉作用，MEMS梁的中間部分會(huì)向襯底移動(dòng)。同時(shí)，由于錨區(qū)較窄，類似支點(diǎn)的作用，延伸出去的兩端向襯底的反方向移動(dòng)。因此，MEMS梁和內(nèi)部測量電極構(gòu)成的內(nèi)電容（Cin=Cin1+Cin2）增大，MEMS梁和外部測量電極構(gòu)成的外電容（Cout=Cout1+Cout2）減小，因此，總的電容變化量Cin-Cout增大，從而有效提高傳感器的測試靈敏度。

2? ? 制備

圖2給出了基于MEMS蹺蹺板結(jié)構(gòu)的功率傳感器的制備流程圖。首先，準(zhǔn)備GaAs襯底;然后，濺射一層0.45 μm厚的金，光刻，形成CPW傳輸線、測量電極和接觸塊;接著，蒸發(fā)一層0.1 μm厚Si3N4，光刻，形成測量電極上的介電層;之后，旋涂1.6 μm厚的聚酰亞胺，光刻，形成MEMS梁的犧牲層;電鍍第二層金，形成CPW傳輸線和MEMS蹺蹺板結(jié)構(gòu)梁。制備后的功率傳感器的顯微照片如圖3所示：

3? ?測試

首先，采用網(wǎng)絡(luò)分析儀和探針臺(tái)對功率傳感器進(jìn)行微波性能測試，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，在1 GHz—10 GHz的頻帶內(nèi)，傳感器的回波損耗小于-12.5 dB，插入損耗優(yōu)于2 dB。利用ADS軟件對傳感器進(jìn)行模擬，其結(jié)果和測試結(jié)果吻合較好。圖5記錄了傳感器的相移特性，相移量約為3.3°@1GHz和31.3°@10GHz。

將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)通過探針臺(tái)流過功率傳感器，利用AD7747開發(fā)板測量內(nèi)部電容和外部電容的變化量，其結(jié)果分別如圖6所示。當(dāng)微波功率從0 mW增加到100 mW時(shí)，內(nèi)部電容增大，其變化量從0 fF增大至7 fF，靈敏度約為69.2 aF/mW、71.5 aF/mW和66.32 aF/mW。同時(shí)外部電容減小，幅度從0 fF增加到3.5 fF，靈敏度接近35.2 aF/mW、33.0 aF/mW和27.6 aF/mW。

4? ?結(jié)論

本文提出了一種新型的基于MEMS蹺蹺板結(jié)構(gòu)的功率傳感器。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過時(shí)，由于等效靜電力的作用，MEMS梁的中間部分下移，同時(shí)，MEMS梁的兩端部分在支點(diǎn)作用下向上移動(dòng)。因此，傳感器內(nèi)部電容增大，外部電容減小，使得傳感器的靈敏度提高。本文建立了傳感器的電-力-電轉(zhuǎn)換模型，并利用GaAs MMIC工藝對傳感器進(jìn)行制備。各類測試結(jié)果表明，該傳感器既可實(shí)現(xiàn)在線測量，又在一定程度上提高了測量靈敏度。因此，該傳感器未來可應(yīng)在5G通信接收模塊的設(shè)計(jì)、制造、測試和優(yōu)化中。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介

錢文軒（orcid.org/0000-0002-7227-1243）：工程師，碩士畢業(yè)于東南大學(xué)，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，主要從事5G技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。

易真翔：副教授，博士畢業(yè)于東南大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)任職于東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，主要從事MEMS傳感器的設(shè)計(jì)和研究工作。