面向5G的MEMS蹺蹺板結構功率傳感器

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，創新性地提出一種可面向5G應用的MEMS蹺蹺板結構功率傳感器。S參數測試結果表明，在1 GHz—10 GHz的頻段內傳感器的回波損耗小于-12.5 dB，插入損耗小于1.5 dB。功率響應測試表明，內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，表明該蹺蹺板結構設計提高了傳感器的靈敏度。

【關鍵詞】5G;微機械MEMS;功率傳感器;蹺蹺板

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

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）03-0081-04

引用格式：錢文軒，易真翔. 面向5G的MEMS蹺蹺板結構功率傳感器[J]. 移動通信， 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設備組件的設計、制造、檢測技術將直接決定相關產品的成本和質量，從而影響5G網絡在世界范圍內的部署進度。其中，功率檢測被廣泛應用于5G收發組件中，因此，功率傳感器的性能將直接決定收發模塊的未來發展[1]。

截至目前，基于MEMS技術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通過電阻全部轉換成熱量，其后通過塞貝克效應檢測溫場的分布，反推出待測功率的大小。該傳感器具有線性度好、回波損耗低等優點。但是，其缺點是待測的功率信號全部轉換成熱量，無法為后續的電路提供能量。第二種是Fernandez[5-7]等人提出的基于MEMS固支梁結構的功率傳感器，在該傳感器中，MEMS梁和信號線之間產生一個等效靜電力，從而使得MEMS梁產生一個向下的位移。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。該傳感器的優點是只需要消耗很少部分的功率，剩余的功率仍可為后續電路提供能量。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，既實現在線測量的優點，又提高傳感器的靈敏度，本文提出了一種新型的基于MEMS蹺蹺板結構的功率傳感器[10]。

1? ? 原理與模型

如圖1所示，該傳感器主要包括共面波導傳輸線、MEMS梁和測量電極。與傳統結構不同的是，MEMS梁并未終止于錨區，而是向外延伸了一段，形成類似蹺蹺板的結構。當無功率時，MEMS梁保持不變;當有功率流過時，因為等效靜電力的下拉作用，MEMS梁的中間部分會向襯底移動。同時，由于錨區較窄，類似支點的作用，延伸出去的兩端向襯底的反方向移動。因此，MEMS梁和內部測量電極構成的內電容（Cin=Cin1+Cin2）增大，MEMS梁和外部測量電極構成的外電容（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蹺蹺板結構的功率傳感器的制備流程圖。首先，準備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蹺蹺板結構梁。制備后的功率傳感器的顯微照片如圖3所示：

3? ?測試

首先，采用網絡分析儀和探針臺對功率傳感器進行微波性能測試，結果如圖4所示。可以看出，在1 GHz—10 GHz的頻帶內，傳感器的回波損耗小于-12.5 dB，插入損耗優于2 dB。利用ADS軟件對傳感器進行模擬，其結果和測試結果吻合較好。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。

將信號發生器產生的信號通過探針臺流過功率傳感器，利用AD7747開發板測量內部電容和外部電容的變化量，其結果分別如圖6所示。當微波功率從0 mW增加到100 mW時，內部電容增大，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? ?結論

本文提出了一種新型的基于MEMS蹺蹺板結構的功率傳感器。當信號經過時，由于等效靜電力的作用，MEMS梁的中間部分下移，同時，MEMS梁的兩端部分在支點作用下向上移動。因此，傳感器內部電容增大，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-電轉換模型，并利用GaAs MMIC工藝對傳感器進行制備。各類測試結果表明，該傳感器既可實現在線測量，又在一定程度上提高了測量靈敏度。因此，該傳感器未來可應在5G通信接收模塊的設計、制造、測試和優化中。

參考文獻：

[1]? ? L Han， Q-A Huang， X-P Liao， et al. A micromachined inline-type wideband microwave power sensor based on GaAs MMIC technology[J]. J. Microelectromech. Syst.， 2009，18（3）： 705–714.

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[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

錢文軒（orcid.org/0000-0002-7227-1243）：工程師，碩士畢業于東南大學，現任職于中國聯合網絡通信有限公司網絡技術研究院，主要從事5G技術相關產品的規劃、設計和研發工作。

易真翔：副教授，博士畢業于東南大學畢業，現任職于東南大學電子科學與工程學院，主要從事MEMS傳感器的設計和研究工作。