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射频收发（T/R）组件广泛应用在雷达和通信系统中,是无线收发系统的重要组成部分。组件的功耗主要由功率放大器（PA）决定,因PA的转换效率有限,工作中相当一部分的能量以热能的形式耗散,不仅导致了组件升温,影响正常工作,还造成了能量的浪费;此外,对射频收发组件的发射功率和谐波失真进行监测具有重要意义,一方面可避免功率过大导致器件的烧毁,另一方面可实现组件老化与失效的检测。为了解决上述射频收发组件中存在的问题,基于微电子机械系统（MEMS）技术的微型热电偶,本论文“面向物联网射频收发组件自供电低功耗热电-光电集成微型传感器的研究”创新性地提出了微波信号检测器（包括微波功率检测器和微波频率检测器）和热电-光电集成微型能量收集器,分别用于物联网射频收发组件中微波信号功率和频率的测量,以及功率放大器（PA）耗散热能和环境中光能的收集,主要研究内容包括:（1）在MEMS间接加热式微波功率检测器S参数模型方面的研究:提出了一种等效电路模型,用于获取MEMS间接加热式微波功率检测器的S参数。该等效电路模型考虑了传输线的插入损耗、终端电阻的寄生参数以及终端电阻与热电堆之间的电磁耦合效应。模型结果表明S11受到终端电阻与热电堆间距的影响,而随着热电堆长度和输入功率的增加变化不明显。为了验证模型,对不同结构参数检测器的S参数进行了测试,测试范围从1GHz到30GHz,结果表明在1-20GHz范围内,基于电路模型计算的S参数与测试结果非常吻合,平均误差在5%以内;热电堆长度为100μm、终端电阻和热电堆间距为10μm的微波功率检测器,其S11在20GHz处的模型计算值和测量值分别为-31.1dB和-30.6dB。同时实验结果表明终端电阻的工艺误差对S11有很大影响。该模型一方面可用来优化结构来改善匹配特性,另一方面为MEMS间接加热式微波功率检测器在系统集成中的电磁兼容问题奠定了研究基础。（2）在MEMS间接加热式微波功率检测器响应时间方面的研究:分别从时域和频域两个角度深入地分析了响应时间的机理,并研究了间接加热式微波功率检测器的结构参数对响应时间的影响。从时域角度,通过建立了一维等效参数模型对瞬态传热问题进行简化处理,虽然不够精确,但是对于理解热时间常数和研究关键结构参数对响应时间的影响,简化后的一维模型是足够的。从频域角度,通过简单的集总热容模型分析了功率检测器的传热过程,建立了瞬态传热方程,并进一步利用热电等效模拟方法建立了等效电路模型,然后从电路模型推导出频率响应的解析表达式,并从3dB截止频率得到相应的时间常数或响应时间;虽然理论上难以准确获得解析表达式中的参数,但集总热容模型和热电等效电路模型可以很好地洞察频率响应的行为并指导响应时间的频响法测量。最后三种测试方法（加载RF方波信号的时域瞬态法、加载DC方波信号的时域瞬态法以及频响法）下的响应时间测试结果表明:响应时间随着热电堆长度以及终端电阻与热电堆间距的增加而增加;频率响应可以确定响应时间,且比时域瞬态法更稳定,波动更小;加载RF方波时,时域瞬态法测得的响应时间,由于上升沿抖动、波动大,下降沿平滑、波动小,导致其上升时间大于下降时间,且下降时间更接近理论热响应时间;当热电堆长度为100μm、终端电阻与热电堆间距为10μm时,一维瞬态模型计算出的响应时间为353μs,加载RF方波信号的时域瞬态法测得的上升时间和下降时间分别为1.04ms、255μs,加载DC方波信号的时域瞬态法测得的上升时间和下降时间分别为261μs、236μs,频响法测得的3dB截止频率和响应时间分别为1550Hz、236μs。此外,亦对检测器在大输入功率下的输出电压进行了测量,并测得烧毁功率约为1.1W。（3）在提升MEMS间接加热式微波功率检测器的动态范围方面的研究:首次提出了一种基于MEMS热电堆和翘曲悬臂梁的微波功率检测器。该微波功率检测器由MEMS间接加热式与电容式微波功率检测器级联而成,利用间接加热式微波功率检测器检测小功率信号,电容式微波功率检测器检测大功率信号。作为电容式微波功率检测器的关键部件,翘曲悬臂梁与传统的直梁相比明显提高了检测器的动态范围和微波性能。由于悬臂梁引入的电容对微波匹配特性会有一定的影响,悬臂梁附近的CPW传输线通过增大间隙的方式进行阻抗补偿。此外,建立了考虑悬臂梁翘曲特性的电磁模型和静态机械模型,分别用于获得器件的理论S参数和输出电容解析表达式,对器件的设计具有重要指导意义。实验表明:在8-12GHz频率范围内,器件的S11小于-25.5dB,显示出优异的匹配特性;输入功率从0.1mW变化到100mW时,间接加热式微波功率检测器的输出线性度良好,在10GHz频率处的灵敏度为0.096mV/mW;输入功率从100mW变化到600mW时,电容变化线性度良好,输入功率在600-800mW范围内开始呈现出饱和趋势,理论计算的灵敏度为12.9fF/W,与实验误差仅为3.1%,验证了模型的有效性。（4）在基于MEMS热电堆和MIM电容的微波频率检测器方面的研究:提出了一种基于MEMS热电堆和MIM电容的微波频率检测器,其工作原理是利用MEMS热电式微波功率检测器检测MIM电容耦合功率的大小,进而根据耦合功率大小与输入信号频率的关系实现微波频率的在线式检测,可实现绝对频率测量,具有结构简单、可靠性高、无直流功耗的优点。检测器的设计由ANSYS Workbench协同仿真指导,采用GaAs MMIC工艺和MEMS技术完成器件的制备,最后测试结果验证了仿真和模型的有效性,在1-12GHz测得的S11和S21分别小于-15dB和-1.33dB。此外,建立了微波频率检测器的等效混合电路模型,用于全面评估检测器的反射损耗、插入损耗以及相位特性,等效混合电路模型由分布参数和集总参数组成,考虑了传输线损耗机理。根据等效混合电路得到的ABCD参数矩阵,可以计算出相应的双端口S参数矩阵。实验表明频率从1GHz增加到12GHz时,相移从2.9°线性变化到33.4°,与理论和仿真计算的数值高度吻合,验证了等效混合电路模型的有效性。（5）在热电-光电集成微型能量收集器设计理论和实现方法方面的研究:作为热电-光电集成微型能量收集器的研究基础,首先对微型热电式发电机进行了系统性的综述,为热电-光电集成微型能量收集器中热电式发电机的设计、制备和测试提供参考和依据。在热电-光电集成微型能量收集器的设计理论上,提出了一种标准的热电-光电集成微型能量收集器结构和两种分别调整过热电偶臂形状和热电堆排布的器件结构,实现了热电-光电两种功能的单片集成;建立了多场耦合条件下的等效电路模型用于分析微型热电式发电机和光电池的输出特性,可实现结构参数、材料参数和应用环境参数等多参数间的协同设计与优化;分别采用ANSYS Workbench协同仿真平台下的热电耦合仿真和Silvaco TCAD光电仿真对微型热电式发电机和光电池的输出特性进行仿真,进一步对提出的结构进行验证;因热电材料的材料参数直接影响到器件的性能,同时亦反映在模型和仿真中,决定了热电-光电集成微型能量收集器的最佳结构尺寸,分别设计了相应的材料参数测试结构对多晶硅的电阻率、接触电阻、Seebeck系数进行表征,用于指导器件结构、材料和制备工艺的进一步优化。在热电-光电集成微型能量收集器的实现方法上,采用常规MEMS工艺完成热电-光电集成微型能量收集器以及材料参数测试结构的制备;为了确定测试中热电-光电集成微型能量收集器两端的温差,设计了一个可行的测试方案对其热电输出性能进行测试,标准结构的最大输出功率因子为6.3×10-3μWcm-2K-2,最大输出电压因子为0.316Vcm-2K-1;光电测试中分别对器件上下两个表面受光时的IV特性进行测量,对应的效率分别为4.11%和0.5%。最后给出了热电-光电集成微型能量收集器在射频收发组件中的应用示例以及具体探讨了两种改善器件输出性能的方法:一是将光电池叉指电极材料由高掺杂多晶硅替换成金属,上下两个表面受光时效率分别改善为5.9%和1.01%;二是在聚酰亚胺隔热层上覆盖一层Al传热板,热电的最大输出功率因子和电压因子分别改善为7.48×10-3μWcm-2K-2,0.35Vcm-2K-1,进一步完善了面向物联网射频收发组件自供电低功耗热电-光电集成微型传感器的设计理论和实现方法。