Research/Monolithic Integration of Microwave Passive Devices with RF-MEMS

機能レイヤ分離設計によるＳＯＩＲＦ−ＭＥＭＳ受動素子に関する研究
A Study on SOI RF-MEMS Passive Devices by Functional Layer-wise Design Method†

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。

A novel design of switched-line RF-MEMS (radio frequency micro electro mechanical systems) phase-shifter for the X-Ku band (8 ~ 18 GHz) has been successfully developed by monolithically integrating electrostatic MEMS actuators with movable coplanar waveguides made of single crystalline silicon. MEMS and RF waveguides designs have been performed with minimum geometrical conflicts thanks to the layer-wise functional allocation method, where double surfaces of SOI (silicon on insulator) wafer are used.

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。

We have successfully demonstrated the design principle on a 1-bit phase-shifter of 22.5 degrees at 12 ~ 13 GHz and obtained insertion loss of 1.6 ~ 1.9 dB/bit, return loss of -9 ~ -13 dB, and isolation of -40 dB by the electrostatic operation under 40 V.

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はじめに
Introduction†

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。

APAA (Active Phase Array Antenna) is an agile antenna that can electronically control the direction of radiation at fast speed. Due to the large number of arrayed electronic components such as solid-state amplifiers and phase shifters, however, the cost of constructing an APAA is not in a range that a commercial application can afford. In this work, we aim to lower the cost of such system by newly using the MEMS technology to construct a monolithic phase shifter (4-bit).

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）。

A switch is used to choose one of the longer or shorter delay lines to control the phase delay. One bit of such phase shifter needs two pieces of SPDT (Single Pole Double Throw) switches or Dual-SPDT.

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レイヤ分離型ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチの構造
RF-MEMS Structure by Layer-separation Design†

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。

We adopted our own MEMS design technique called "Layer Separation" to construct an RF-MEMS switch; the handle substrate of an SOI layer is used as a body of CPW (co-planar waveguide) cantilever beam that laterally swings to close a metal-to-metal contact, while the SOI active layer is used to integrate an electrostatic micro actuator. The developed switch structures have a compatibility and scalability to an N-bit monolithic switch integrated in a silicon substrate of high impedance.

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バルクマイクロマシニング
Bulk Micromachining†

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。

In this work, we used a thick plated gold (4 microns) on the handle wafer side of an SOI, and used it as a CPW contact as well as an etching mask for the DRIE processe.

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。

As a proof-of-concept level demonstration, we have developed a unit cell of 1-bit monolithick RF-MEMS switch and confirmed its electrostatic operation and high frequency performances.

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紹介ポスター
Openhouse Poster†

RF-MEMS2012.pdf

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.