CN108508265B - 功率传感器 - Google Patents

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Abstract

一种功率传感器。所述功率传感器包括层叠设置的导电吸收层、绝缘层和温阻层。所述绝缘层夹设于所述导电吸收层和所述温阻层之间。所述绝缘层具有相对设置的第一表面和第二表面。所述导电吸收层设置于所述第一表面。所述温阻层设置于所述第二表面。

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：
温阻层；
绝缘层与所述温阻层层叠设置；
导电吸收层与所述绝缘层层叠设置，所述绝缘层夹设于所述导电吸收层与所述温阻层之间。
在其中一个实施例中，所述功率传感器进一步包括加热层设置于所述绝缘层远离所述导电吸收层的表面，所述加热层与所述绝缘层相互绝缘设置。
在其中一个实施例中，所述温阻层为图案化电极，所述温阻层包括：
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，所述功率传感器进一步包括基底，所述温阻层、所述绝缘层、所述导电吸收层依次层叠设置于所述基底。
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。
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。
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。
本发明提供的功率传感器，包括温阻层与导电吸收层。所述温阻层与所述导电吸收层通过绝缘层间隔绝缘设置。所述功率传感器的导电吸收层在吸收电磁波后升温从而使得所述温阻层的电阻产生变化。所述导电吸收层还可以通过通电升温使得所述温阻层的电阻产生变化。所述导电吸收层同时可以具有加热层与吸收层的功能。因此，所述导电吸收层通电升温与吸收电磁波升温的程度相同，从而使得本发明的所述功率传感器的测量精确度更高。
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为本发明图1中的功率传感器的温阻层的结构示意图。
图3为本发明一个实施例的功率传感器的剖面结构示意图。
图4为图3中的功率传感器的温阻层和加热层的结构示意图。
图5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；导电吸收层111；绝缘层112；封装层117；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126。
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包括层叠设置的导电吸收层111、绝缘层112和温阻层130。所述绝缘层112夹设于所述导电吸收层111和所述温阻层130之间。所述绝缘层112具有相对设置的第一表面和第二表面。所述导电吸收层111设置于所述第一表面。所述温阻层130设置于所述第二表面。
所述导电吸收层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导电吸收层111的电磁波的频率与所述导电吸收层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的微波辐射到所述导电吸收层111后，所述导电吸收层111升温使得所述温阻层130的电阻变化为ΔR。由于所述导电吸收层111为导电材料制成，可以通过给所述导电吸收层111通电以使所述导电吸收层111升温。因此可以通过给所述导电吸收层111通电升温来加热所述温阻层130。所述温阻层130被加热升温从而也发生ΔR的电阻变化。如果所述导电吸收层111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。由于所述导电吸收层111同时具有吸收电磁波升温的功能和通电升温的功能，从而更大程度上保证了功率的一致性。因此，本实施例的所述功率传感器10，相对于传统的功率传感器10具有更高的精确度。另外，所述功率传感器10还具有更加简单的结构，成本更低的优点。
可以理解，可以在所述导电吸收层111内部间隔设置两个电极。在给所述导电吸收层111通电时，可以通过所述两个电极给所述导电吸收层111通电。所述两个电极也可以设置在所述导电吸收层111的表面。
所述温阻层130可以为图案化电极层。具体的，所述温阻层130可以对称贴合于所述绝缘层112的第二表面。所述温阻层130为图案化电极层，使得所述加热层120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。
在一个实施例中，请参见图2，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条带。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。所述第一电极132和所述第二电极134的位置可以根据需要设置，既可以设置在同侧，也可以设置在异侧。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。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构连接至测量表。
请参见图3，在一个实施例中，所述功率传感器10还可以进一步包括加热层120。所述加热层120设置于所述绝缘层112远离所述导电吸收层111的表面。所述加热层120与所述温阻层130相互绝缘设置。当所述功率传感器10包括所述加热层120时，可以通过给所述加热层120通电升温加热所述温阻层130以发生ΔR的电阻变化。如果所述加热层120的功率为P3，那么则有P1＝P3。这样，就可以通过P3计算出所述导电吸收层111吸收的所述电磁波的频率。
本实施例中，所述导电吸收层111还可以通电以功率P2对所述温阻层130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＝P2/P3，这个比例值就是所述导电吸收层111对所述加热层120加热功率的校准系数。因此，本实施例提供的所述功率传感器10可以通过所述导电吸收层111对所述加热层120进行校准，从而具有较高的精确度。
可以理解，所述加热层120为可选元件。当所述功率传感器10具有所述加热层120时，可以通过所述加热层120加热所述导电吸收层111以使得所述温阻层130升温产生电阻变化。而所述导电吸收层111通电用以对所述加热层120进行校准，从而具有较高的精确度。当所述功率传感器10不包括所述加热层120时，所述导电吸收层111在吸收电磁波升温的同时，还可以通电升温以加热所述温阻层130。也就是说，所述导电吸收层111可以同时具有加热层和吸收层的功能，从而实现电磁波的感测。
请参见图4，所述温阻层130和所述加热层120可以为图案化电极层。所述温阻层130和所述加热层120的图案可以相同，并且轴对称设置于所述绝缘层112的第二表面。具体的，所述温阻层130和所述加热层120可以对称贴合于所述绝缘层112的第二表面。由于所述温阻层130和所述加热层120的图案相同，使得所述加热层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和所述加热层120为图案化电极。从而使得所述温阻层130和所述加热层120均匀分布，加热带来的热量可以充分被所述温阻层130吸收，从而实现更好的响应。另外，所述温阻层130和所述加热层120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。可以理解，所述第三电极122和所述第四电极124的位置可以根据需要设置，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，所述加热层120为厚度为200纳米至500纳米的镍铬合金薄膜。镍铬合金的温度系数小，使得所述加热层120随温度变化电阻变化小。所述加热层120可以通过所述第三电极122和所述第四电极124电连接一个外置加热电源。所述外置加热电源用于给所述加热层120通电。在一个实施例中，所述加热层120为镍铬合金薄膜，并可以用磁控溅射的方法制备。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。
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。
所述导电吸收层111用于吸收电磁波辐射产生热量。所述导电吸收层111为导电材料制成。所述导电吸收层111的材料可以为碳纳米管、黑硅、黑漆或者黑金中的一种。具体地，在一个实施例中，所述导电吸收层111可以为碳纳米管层。可以理解，所述导电吸收层111内还可以间隔设置有两个电极。外接电源可以通过所述两个电极给所述导电吸收层111通电，从而使得所述导电吸收层111升温。
请参见图5，在一个实施例中，所述功率传感器10还可以包括基底110。所述温阻层130、所述绝缘层112、所述导电吸收层111依次层叠设置于所述基底110。所述基底110用于给所述温阻层130、所述绝缘层112、所述导电吸收层111提供支撑。当所述功率传感器10包括所述加热层120时，所述温阻层130与所述加热层120共同夹设于所述基底110与所述绝缘层112之间。所述基底110用于支撑所述功率传感器10中的元件。具体的，所述基底110为平面结构。可以理解，所述基底110为可选结构。当所述导电吸收层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。当所述导电吸收层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，从而可同时作为基底使用。因此，所述导电吸收层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/或所述加热层120，从而对所述温阻层130和所述加热层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。
所述导电吸收层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导电吸收层111的电磁波的频率与所述导电吸收层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的微波辐射到所述导电吸收层111后，所述导电吸收层111升温使得所述温阻层130的电阻变化为ΔR。由于所述导电吸收层111为导电材料制成，可以通过给所述导电吸收层111通电以使所述导电吸收层111升温。因此可以通过给所述导电吸收层111通电升温来加热所述温阻层130。所述温阻层130被加热升温从而也发生ΔR的电阻变化。如果所述导电吸收层111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。由于所述导电吸收层111同时具有吸收电磁波升温的功能和通电升温的功能，从而更大程度上保证了功率的一致性。因此，本实施例的所述功率传感器10，相对于传统的功率传感器10具有更高的精确度。另外，所述功率传感器10还具有更加简单的结构，成本更低的优点。
本发明提供的功率传感器，包括温阻层与导电吸收层。所述温阻层与所述导电吸收层通过绝缘层间隔绝缘设置。所述功率传感器的导电吸收层在吸收电磁波后升温从而使得所述温阻层的电阻产生变化。所述导电吸收层还可以通过通电升温使得所述温阻层的电阻产生变化。所述导电吸收层同时可以具有加热层与吸收层的功能。因此，所述导电吸收层通电升温与吸收电磁波升温的程度相同，从而使得本发明的所述功率传感器的测量精确度更高。
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 (9)

1.一种功率传感器，其特征在于，包括：
温阻层(130)；
绝缘层(112)与所述温阻层(130)层叠设置；
导电吸收层(111)与所述绝缘层(112)层叠设置，所述绝缘层(112)夹设于所述导电吸收层(111)与所述温阻层(130)之间；
所述温阻层(130)为图案化电极，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)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，进一步包括加热层(120)，设置于所述绝缘层(112)远离所述导电吸收层(111)的表面，所述加热层(120)与所述绝缘层(112)相互绝缘设置。
3.如权利要求2所述的功率传感器，其特征在于，所述加热层(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3所述的功率传感器，其特征在于，所述加热层(120)为厚度为200纳米-500纳米的镍铬合金层。
5.如权利要求1所述的功率传感器，其特征在于，进一步包括基底(110)，所述温阻层(130)、所述绝缘层(112)、所述导电吸收层(111)依次层叠设置于所述基底(110)。
6.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。
7.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。
8.如权利要求1至7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)。
9.如权利要求8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。
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