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機能レイヤ分離設計によるSOI RF−MEMS受動素子に関する研究

単結晶貼り合わせシリコン基板(SOI基板)をバルクマイクロマシニングによって両面加工することで、ハンドルウエハ側に水平面内で駆動可能なコプレナ導波路を製作しました。また、この導波路を駆動する機構を基板の反対面側のSOI側に集積化することで、導波路とアクチュエータ機能をレイヤ毎に分離し、導波路とアクチュエータの特性をそれぞれ独立に最適化設計できることを示しました。

このスイッチを遅延線とともにシリコン基板内にモノリシック集積化することにより、X−Kuバンド(8〜18GHz帯)で使用可能な移相器を構成しました。また、その特性として、40V駆動12GHzにおける22.5°移相器の挿入損失1.6〜1.9dB/ビット、反射損失−9〜−13dB、アイソレーション−40dBが得られています。

はじめに

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アクティブ位相アレイアンテナは電子的に高速で指向性を変えられる無線アンテナです。ただし、アレイ数の増加とともに要素部品の個数が膨大な数になるため、民生品への普及が進んでいませんでした。その主な理由は、マイクロ波用のソリッド・ステート素子(アンプ、移相器)の高価格にあります。そこで本研究では低価格なマイクロ波素子の実現を目指して、モノリシックMEMSマイクロ波回路で4ビット移相器を実現する手法を検討しました。

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本研究で試作した移相器は、長短2本の遅延線のうち、一方をスイッチによって選択する線路選択型の移相器です。この位相器を構成するには、1入力2出力(Single Pole Double Throw, SPDT)スイッチが2系統必要です(Dual SPDS)。

レイヤ分離型RF−MEMSスイッチの構造

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本研究では、SOI基板の裏面(ハンドル基板側)にコプレナ型の導波路遅延線を形成し、接点導波路を左右に振ることでスイッチを開閉する方式の経路選択型位相器を設計・製作しました。接点導波路の駆動には、SOI側に静電駆動アクチュエータを集積化しています。このような位相器を1枚の基板中で複数個接続することで、Nビットの位相器をモノリシック集積化可能です。

バルクマイクロマシニング

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SOI基板の両面をマイクロ加工する手法として、基板側に形成した金メッキ(4ミクロン)のコプレナ導波路パターンそのものをDRIEのエッチングマスクとして使用する方法を考案しました。

以上の設計思想・製作方法に基づいて1ビットの位相器を試作し、そのマイクロ波特性を評価しました。

紹介ポスター

We have developed a monolithically integrated RF-MEMS phase-shifter for a 12 GHz application by improving the previously reported dual SPDT RF-MEMS switch. SOI substrate was used to accommodate the electrostatic actuation mechanism in the 30 mm-thick silicon layer and to allocate mechanically movable waveguides on the 100 mm-thick substrate; electroplating of 4 mm thick gold was applied onto the waveguide surface to lower the microwave insertion loss.

At the same time, high resistance silicon was used for the handle wafer of the SOI to minimize dielectric loss. Electrostatic operation at 40 V was successfully demonstrated to present a 1-bit phase shifter of 22.5 degrees at 12 ~ 13 GHz, insertion loss of 1.6 ~ 1.9 dB/bit, return loss of -9 ~-13 dB, and isolation of less than -40 dB.


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Last-modified: Sat, 27 Apr 2013 09:46:20 JST (1668d)