CN108508263B

CN108508263B - 功率传感器

Info

Publication number: CN108508263B
Application number: CN201710890180.9A
Authority: CN
Inventors: 钟青; 王雪深; 崔孝海; 李劲劲; 袁文泽; 李勇; 钟源
Original assignee: National Institute of Metrology
Current assignee: National Institute of Metrology
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2020-04-17
Anticipated expiration: 2037-09-27
Also published as: CN108508263A

Abstract

一种功率传感器，包括吸收层、屏蔽层、绝缘层、温阻层、第一加热层以及第二加热层。所述吸收层具有相对设置的第一表面和第二表面。所述屏蔽层设置于所述第一表面。所述第二加热层设置于所述第二表面。所述绝缘层与所述屏蔽层层叠设置。所述屏蔽层设置于所述绝缘层与所述吸收层之间。所述温阻层和所述第一加热层相互绝缘设置于所述绝缘层远离所述吸收层的表面。

Description

功率传感器

技术领域

本发明涉及电磁波基准测量技术领域，尤其涉及一种功率传感器。

背景技术

无线电功率是无线电计量领域中最重要的参量，是国际计量局(BIPM)定义的无线电七个关键参数中最基本的参数。目前毫米和亚毫米波长信号源和测试仪器的发展，以及太赫兹波段的广泛应用需求，对110GHz以上频率功率的计量和测量提出了要求。110GHz至太赫兹功率基准也成为目前国内外微波功率计量研究的热点。

2006年芬兰国家计量院(MIKES)委托的功率基准研制单位报导了不确定度为1.08％的110GHz到170GHz的功率计。该功率计包括设置在波导内部的楔形吸收体、以及设置在波导外壁上的测温热偶和加热器。所述加热器用于校准所述测温热偶。然而，所述加热器与所述测温热偶同时设置在波导外壁，入射电磁波需要加热整个波导管，响应时间长，受环境影响大，使得所述加热器对所述测温热偶的校准效果变差，进而引起所述功率计的测试误差。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种计量用的具有更高准确度的功率传感器。

一种功率传感器，包括：

吸收层，所述吸收层具有相对设置的第一表面和第二表面；

屏蔽层设置于所述第一表面；

绝缘层与所述屏蔽层层叠设置，所述屏蔽层设置于所述绝缘层与所述吸收层之间；

温阻层和第一加热层相互绝缘设置于所述绝缘层远离所述吸收层的表面；

第二加热层设置于所述第二表面。

在其中一个实施例中，所述第一加热层和所述第二加热层为图案化电阻层，且所述第一加热层和所述第二加热层的图案相同，并且相对于所述吸收层对称设置。

在其中一个实施例中，所述温阻层为图案化电阻层，包括：

第一图案化导电条；

第一电极和第二电极分别连接在所述第一图案化导电条的两端。

在其中一个实施例中，所述第一加热层包括：

第二图案化导电条，所述第二图案化导电条与所述第一图案化导电条相互间隔设置；

第三电极和第四电极分别连接在所述第二图案化导电条的两端。

在其中一个实施例中，所述吸收层为导电吸收层。

在其中一个实施例中，所述温阻层为厚度200纳米-500纳米的铂金属层，所述第一加热层和所述第二加热层为厚度为200纳米-500纳米的镍铬合金层。

在其中一个实施例中，所述绝缘层为氮化硅和二氧化硅组成的厚度50纳米-100纳米的双层结构。

在其中一个实施例中，所述功率传感器进一步包括：封装层覆盖所述温阻层和所述第一加热层。

在其中一个实施例中，所述封装层的材料为氮化硅或二氧化硅。

在其中一个实施例中，所述屏蔽层为金属薄膜，厚度为50纳米至1000纳米。

本发明提供的功率传感器，所述温阻层和第一加热层相互绝缘设置于所述绝缘层远离所述吸收层的表面。所述第二加热层设置于所述第二表面。所述第二加热层可以实现对所述第一加热层校准。因此，所述功率传感器相对于传统的功率传感器具有更高的精确度。

附图说明

图1为本发明一个实施例的功率传感器的剖面结构示意图。

图2为本发明一个实施例的功率传感器中的温阻层与第一加热层的结构关系示意图。

图3为本发明一个实施例的功率传感器中的第二加热层的结构示意图。

图4为本发明一个实施例的功率传感器的剖面结构示意图。

元件符号说明

功率传感器10；基底110；吸收层111；绝缘层112；屏蔽层114；封装层117；第一加热层120；第三电极122；第四电极124；第二图案化导电条126；温阻层130；第一电极132；第二电极134；第一图案化导电条136；第二加热层140；第五电极142；第六电极144；第三图案化导电条146。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1，本发明实施例提供一种功率传感器10。所述功率传感器10包括吸收层111、屏蔽层114、绝缘层112、温阻层130、第一加热层120、以及第二加热层140。所述吸收层111具有相对设置的第一表面和第二表面。所述屏蔽层114设置于所述第一表面。所述第二加热层140设置于所述第二表面。所述绝缘层112与所述屏蔽层114层叠设置。所述屏蔽层114设置于所述绝缘层112与所述吸收层111之间。所述温阻层130和所述第一加热层120相互绝缘设置于所述绝缘层112远离所述吸收层111的表面。

所述吸收层111用于接收待测电磁波的照射从而升温以对所述温阻层130进行加热。所述温阻层130为热敏电阻，可以通过吸热而升温。所述温阻层130的电阻会随着温度变化而变化。所述待测电磁波照射所述吸收层111的电磁波的频率与所述吸收层111升高的温度具有预定的关系。因此，所述功率传感器10可以通过所述温阻层130吸热测出所述待测电磁波的功率。比如，功率为P1的微波辐射到所述吸收层111后，所述吸收层111升温使得所述温阻层130的电阻变化为ΔR。通过所述第一加热层120可以通电加热所述温阻层130。所述温阻层130被加热升温从而也发生ΔR的电阻变化。如果所述第一加热层120的功率为P2，那么则有P1＝P2。这样，就可以通过P2计算出所述电磁波的频率。所述第二加热层140设置在所述第二表面，可以通过所述第三电阻140以功率P3对所述吸收层111加热，从而使得所述温阻层130的阻值变化为ΔR。这样就可以获得一个比例值Ratio＝P3/P2，这个比例值就是所述第二加热层140对所述第一加热层120加热功率的校准系数。具体地，当所述第一加热层120在工作一段时间后，存在误差时，可以通过所述第二加热层140对所述第一加热层120校准。因此，本发明的所述功率传感器10可以通过所述第二加热层140对所述第一加热层120进行校准，从而具有较高的精确度。

请参见图2，所述温阻层130和所述第一加热层120可以为图案化电阻层。所述温阻层130和所述第一加热层120可以轴对称设置于所述绝缘层112的表面。具体的，所述绝缘层112具有两个相对的表面。所述温阻层130和所述第一加热层120可以轴对称贴合于所述绝缘层112远离所述吸收层111的表面。由于所述温阻层130和所述第一加热层120的图案相同，从而使得所述第一加热层120与温阻层130的热传递更加均匀，从而可以使得所述功率传感器10具有较高的精确性。本实施例中，由于所述温阻层130和所述第一加热层120为图案化电阻层。从而使得所述温阻层130和所述第一加热层120均匀分布，加热带来的热量可以充分被所述温阻层130和所述第一加热层120吸收，从而实现更好的响应。另外，电阻层图案化，可以实现所述传感器10的均匀加热，更接近入射电磁波的状态。

在一个实施例中，所述温阻层130为图案化的电阻层。所述温阻层130包括第一图案化导电条136、第一电极132和第二电极134。所述第一图案化导电条136可以为沿着预定的图案延伸的导电带。所述第一图案化导电条136具有第一端和第二端。具体地，所述第一电极132和所述第二电极134分别与所述第一端和所述第二端电连接。可以理解，所述第一图案化导电条136、所述第一电极132和所述第二电极134可以一体成形为一个完整的结构。另外，所述第一电极132和所述第二电极134的位置不限，可以设置在同侧，也可以设置在异侧。

所述温阻层130为可以为电阻对温度的响应为线性且温阻系数比较大的金属，比如Ni、Pt。所述温阻层130可以通过各种成膜方法形成。在一个实施例中，所述温阻层130为厚度200纳米-500纳米的铂金属层。所述铂金属层可以采用磁控溅射法制备，并在500摄氏度内进行退火以实现铂金属层多晶化。铂金属层的温度系数大于2×10^-3/K，阻值稳定性优于5×10^-5。所述温阻层130可以通过所述第一电极132和所述二电极134电连接至测量表。

在一个实施例中，所述第一加热层120包括第二图案化导电条126、第三电极122和第四电极124。所述第三电极122和所述第四电极124分别连接在所述第二图案化导电条126的两端。所述第三电极122和所述第四电极124的位置可以根据需要调整，既可以设置在同侧，也可以设置在异侧。可以理解，所述第二图案化导电条126的结构可以与所述第一图案化导电条136的结构相同。所述第一加热层120可以通过各种成膜方法制备。在一个实施例中，所述第一加热层120为厚度为200纳米-500纳米的镍铬合金薄膜。镍铬合金的温度系数小，使得所述第一加热层120随温度变化电阻变化小。所述第一加热层120可以通过所述第三电极122和所述第四电极124电连接外置加热电流源。在一个实施例中，所述第一加热层120可以使用磁控溅射制作。所述镍铬合金薄膜的阻值稳定性优于5×10^-5，温度系数小于100ppm/K。

在一个实施例中，所述第一图案化导电条136与所述第二图案化导电条126相互形成插齿结构，从而更均匀的分布在所述绝缘层112的表面。因此，所述温阻层130和所述第一加热层120具有更加均匀的热吸收以及热传递效果。

所述绝缘层112可以为导热好的绝缘层。所述绝缘层112可以为氧化铪、氮化硅或二氧化硅。在一个实施例中，所述绝缘层112为氮化硅和二氧化硅双层组成的厚度50纳米-100纳米的双层结构。所述绝缘层112也可以为氮化硅、二氧化硅或氧化铪的单层结构。

所述磁屏蔽层114可以为金属薄膜。所述磁屏蔽层114的厚度可以小于1微米。所述金属薄膜的材料可以是金、银、铜。在一个实施例中，所述磁屏蔽层114为铜薄膜，所述铜薄膜的厚度为200纳米～800纳米。所述屏蔽层114用于反射由所述吸收层111方向射来的电磁波。从而可以使得所述吸收层11的吸收效率更高。

所述吸收层111用于吸收电磁波辐射产生热量。所述吸收层111可以为绝缘材料或者导电材料。所述吸收层111为绝缘材料时，所述吸收层111可以直接与所述温阻层130和所述第一加热层120贴合。所述吸收层111为导电材料时，所述吸收层111与所述第一加热层120之间可以设置绝缘层。所述吸收层111可以为碳纳米管、黑硅、黑漆或者黑金中的一种。

在一个实施例中，所述第二加热层140为图案化电阻层。所述第二加热层140的图案可以和所述第一加热层120的图案相同，并且相对于所述吸收层111对称设置。请参见图3，所述第二加热层140包括第三图案化导电条146、第五电极132和第六电极134。所述第五电极132和所述第六电极134分别连接在所述第三图案化导电条146的两端。可以理解，所述第三图案化导电条146的结构可以与所述第二图案化导电条126的结构相同。由于所述第一加热层120和所述第二加热层140的图案相同且位置相同，使得加热效果的替代性和校准准确度高，从而可以使得所述功率传感器10具有较高的精确性。所述第二加热层140的材料可以与所述第一加热层120的材料相同，并且具有相同的厚度。

请参见图4，在一个实施例中，所述功率传感器10还可以包括基底110。所述基底110设置于所述吸收层111与所述磁屏蔽层114之间。具体的，所述基底110为平面结构，具有两个相对的表面。所述磁屏蔽层114和所述吸收层111分别贴合于所述基底110的两个相对的表面。所述基底110用于支撑所述温阻层130、所述绝缘层112、所述磁屏蔽层114和所述第一加热层120。可以理解，所述基底110为可选结构。当所述吸收层111为碳纳米管、黑漆或黑金时，所述基底110可以为硅片或者蓝宝石等导热率高的衬底。当所述吸收层111为黑硅时，由于黑硅制作在硅片的一个表面。所述硅片的另一面为抛光面,从而所述硅片可同时作为基底使用。因此，所述吸收层111为黑硅时，所述基底110可以省略。

在一个实施例中，所述功率传感器10还可以包括封装层117。所述封装层117用于覆盖所述温阻层130和所述第一加热层120，从而对所述温阻层130和所述第一加热层120进行保护。所述封装层117可以为环氧树脂、PDMS、氮化硅和二氧化硅中的一种。

在一个实施例中，所述功率传感器10还可以包括侧面磁护层115。所述侧面磁护层115贴合在所述功率传感器10的侧面，用于防止外界电磁波的干扰。所述侧面磁护层115的材料、厚度可以与所述磁屏蔽层114相同。所述侧面磁护层115还可以是导电胶涂覆形成的薄膜。在一个实施例中，所述导电胶为导电银胶。

本发明实施例提供的功率传感器10，所述吸收层111用于接收待测电磁波的照射从而升温以对所述温阻层130进行加热。所述温阻层130为热敏电阻，可以通过吸热而升温。所述温阻层130的电阻会随着温度变化而变化。所述待测电磁波照射所述吸收层111的电磁波的频率与所述吸收层111升高的温度具有预定的关系。因此，所述功率传感器10可以通过所述温阻层130吸热测出所述待测电磁波的功率。比如，功率为P1的微波辐射到所述吸收层111后，所述吸收层111升温使得所述温阻层130的电阻变化为ΔR。通过所述第一加热层120可以通电加热所述温阻层130。所述温阻层130被加热升温从而也发生ΔR的电阻变化。如果所述第一加热层120的功率为P2，那么则有P1＝P2。这样，就可以通过P2计算出所述电磁波的频率。所述第二加热层140设置在所述第二表面，可以通过所述第三电阻140以功率P3对所述吸收层111加热，从而使得所述温阻层130的阻值变化为ΔR。这样就可以获得一个比例值Ratio＝P3/P2，这个比例值就是所述第二加热层140对所述第一加热层120加热功率的校准系数。具体地，当所述第一加热层120在工作一段时间后，存在误差时，可以通过所述第二加热层140对所述第一加热层120校准。

本发明提供的功率传感器，所述温阻层和所述第一加热层相互绝缘设置于所述绝缘层远离所述吸收层的表面。所述第二加热层设置于所述第二表面。从而，可以通过所述第二加热层对所述第一加热层实现校准。因此，所述功率传感器相对于传统的功率传感器具有更高的精确度。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，随其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种功率传感器，其特征在于，包括：

吸收层(111)，所述吸收层(111)具有相对设置的第一表面和第二表面；

屏蔽层(114)设置于所述第一表面；

绝缘层(112)与所述屏蔽层(114)层叠设置，所述屏蔽层(114)设置于所述绝缘层(112)与所述吸收层(111)之间；

温阻层(130)和第一加热层(120)相互绝缘设置于所述绝缘层(112)远离所述吸收层(111)的表面；

第二加热层(140)设置于所述第二表面；

所述温阻层(130)为图案化电阻层，包括：

第一图案化导电条(136)；

第一电极(132)和第二电极(134)分别连接在所述第一图案化导电条(136)的两端。

2.如权利要求1所述的功率传感器，其特征在于，所述第一加热层(120)和所述第二加热层(140)为图案化电阻层，且所述第一加热层(130)和所述第二加热层(140)的图案相同，并且相对于所述吸收层(111)对称设置。

3.如权利要求1所述的功率传感器，其特征在于，所述第一加热层(120)包括：

第二图案化导电条(126)，所述第二图案化导电条(126)与所述第一图案化导电条(136)相互间隔设置；

第三电极(122)和第四电极(124)分别连接在所述第二图案化导电条(126)的两端。

4.如权利要求1所述的功率传感器，其特征在于，所述吸收层(111)为导电吸收层。

5.如权利要求1所述的功率传感器，其特征在于，所述温阻层(130)为厚度200纳米-500纳米的铂金属层，所述第一加热层(120)和所述第二加热层(140)为厚度为200纳米-500纳米的镍铬合金层。

6.如权利要求1所述的功率传感器，其特征在于，所述绝缘层(112)为氮化硅和二氧化硅组成的厚度50纳米-100纳米的双层结构。

7.如权利要求1至6中任一项所述的功率传感器，其特征在于，进一步包括：

封装层(117)覆盖所述温阻层(130)和所述第一加热层(120)。

8.如权利要求7所述的功率传感器，其特征在于，所述封装层(117)的材料为氮化硅或二氧化硅。

9.如权利要求1所述的功率传感器，其特征在于，所述屏蔽层(114)为金属薄膜，厚度为50纳米至1000纳米。