面向5G的MEMS跷跷板结构功率传感器

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　　【摘  要】为了解决5G功率传感器灵敏度不高的问题，创新性地提出一种可面向5G应用的MEMS跷跷板结构功率传感器。S参数测试结果表明，在1 GHz—10 GHz的频段内传感器的回波损耗小于-12.5 dB，插入损耗小于1.5 dB。功率响应测试表明，内部电容的灵敏度接近69.2aF/mW@1GHz、71.5aF/mW@5GHz和66.3aF/mW@10GHz，外部电容的灵敏度约为35.2aF/mW@1GHz、33.0aF/mW@5GHz和27.6aF/mW@10GHz，表明该跷跷板结构设计提高了传感器的灵敏度。
　　【关键词】5G;微机械MEMS;功率传感器;跷跷板
　　doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.03.016        中图分类号：TN929.5
　　文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）03-0081-04
　　引用格式：钱文轩，易真翔. 面向5G的MEMS跷跷板结构功率传感器[J]. 移动通信， 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
　　随着5G商用周期正式拉开序幕，5G设备组件的设计、制造、检测技术将直接决定相关产品的成本和质量，从而影响5G网络在世界范围内的部署进度。其中，功率检测被广泛应用于5G收发组件中，因此，功率传感器的性能将直接决定收发模块的未来发展[1]。
　　截至目前，基于MEMS技术的功率传感器主要有两种。第一种是Dehe[2-4]等人提出的MEMS终端式功率传感器，其原理是將功率信号通过电阻全部转换成热量，其后通过塞贝克效应检测温场的分布，反推出待测功率的大小。该传感器具有线性度好、回波损耗低等优点。但是，其缺点是待测的功率信号全部转换成热量，无法为后续的电路提供能量。第二种是Fernandez[5-7]等人提出的基于MEMS固支梁结构的功率传感器，在该传感器中，MEMS梁和信号线之间产生一个等效静电力，从而使得MEMS梁产生一个向下的位移。通过检测MEMS梁与测试电极之间电容的变化，可反推出功率值。该传感器的优点是只需要消耗很少部分的功率，剩余的功率仍可为后续电路提供能量。但是，该传感器灵敏度较低，对测量电路要求较高[8-9]。
　　为了解决上述问题，既实现在线测量的优点，又提高传感器的灵敏度，本文提出了一种新型的基于MEMS跷跷板结构的功率传感器[10]。
　　1    原理与模型
　　如图1所示，该传感器主要包括共面波导传输线、MEMS梁和测量电极。与传统结构不同的是，MEMS梁并未终止于锚区，而是向外延伸了一段，形成类似跷跷板的结构。当无功率时，MEMS梁保持不变;当有功率流过时，因为等效静电力的下拉作用，MEMS梁的中间部分会向衬底移动。同时，由于锚区较窄，类似支点的作用，延伸出去的两端向衬底的反方向移动。因此，MEMS梁和内部测量电极构成的内电容（Cin=Cin1+Cin2）增大，MEMS梁和外部测量电极构成的外电容（Cout=Cout1+Cout2）减小，因此，总的电容变化量Cin-Cout增大，从而有效提高传感器的测试灵敏度。 　　2    制备
　　图2给出了基于MEMS跷跷板结构的功率传感器的制备流程图。首先，准备GaAs衬底;然后，溅射一层0.45 μm厚的金，光刻，形成CPW传输线、测量电极和接触块;接着，蒸发一层0.1 μm厚Si3N4，光刻，形成测量电极上的介电层;之后，旋涂1.6 μm厚的聚酰亚胺，光刻，形成MEMS梁的牺牲层;电镀第二层金，形成CPW传输线和MEMS跷跷板结构梁。制备后的功率传感器的显微照片如图3所示：
　　3   测试
　　首先，采用网络分析仪和探针台对功率传感器进行微波性能测试，结果如图4所示。可以看出，在1 GHz—10 GHz的频带内，传感器的回波损耗小于-12.5 dB，插入损耗优于2 dB。利用ADS软件对传感器进行模拟，其结果和测试结果吻合较好。图5记录了传感器的相移特性，相移量约为3.3°@1GHz和31.3°@10GHz。
　　将信号发生器产生的信号通过探针台流过功率传感器，利用AD7747开发板测量内部电容和外部电容的变化量，其结果分别如图6所示。当微波功率从0 mW增加到100 mW时，内部电容增大，其变化量从0 fF增大至7 fF，灵敏度约为69.2 aF/mW、71.5 aF/mW和66.32 aF/mW。同时外部电容减小，幅度从0 fF增加到3.5 fF，灵敏度接近35.2 aF/mW、33.0 aF/mW和27.6 aF/mW。
　　4   结论
　　本文提出了一种新型的基于MEMS跷跷板结构的功率传感器。当信号经过时，由于等效静电力的作用，MEMS梁的中间部分下移，同时，MEMS梁的两端部分在支点作用下向上移动。因此，传感器内部电容增大，外部电容减小，使得传感器的灵敏度提高。本文建立了传感器的电-力-电转换模型，并利用GaAs MMIC工艺对传感器进行制备。各类测试结果表明，该传感器既可实现在线测量，又在一定程度上提高了测量灵敏度。因此，该传感器未来可应在5G通信接收模块的设计、制造、测试和优化中。
　　参考文献：
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　　[2]    A Dehe， H Klingbeil， V Krozer， et al. GaAs monolithic integrated microwave power sensor in coplanar waveguide technology[J]. IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig.， 1996： 161–164.
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　　[8]     Z Yi， X Liao. A capacitive power sensor based on the MEMS cantilever beam fabricated by GaAs MMIC technology[J]. 2013，23（3）.
　　[9]    Y Cui， X Liao.Modeling and design of a capacitive microwave power sensor for X-band applications based on GaAs technology[J]. 2012，22（5）.
　　[10]    Z Yi， H Yan， J Yan， et al. Fabrication of the differential microwave power sensor by seesaw-type MEMS membrane[J]. 2016，25（4）： 582–584.
　　作者簡介
　　钱文轩（orcid.org/0000-0002-7227-1243）：工程师，硕士毕业于东南大学，现任职于中国联合网络通信有限公司网络技术研究院，主要从事5G技术相关产品的规划、设计和研发工作。
　　易真翔：副教授，博士毕业于东南大学毕业，现任职于东南大学电子科学与工程学院，主要从事MEMS传感器的设计和研究工作。
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