シリコンRF-MEMS技術による超小型無線システム

采用硅 RF-MEMS 技术的超紧凑无线系统

• 批准号: 10J07437
• 负责人: 山根 大輔
• 金额: $ 0.9万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2010
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2010 至 2011
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-10J07437/
• 关键词: RF-MEMSスイッチ; SOI; レイヤ分離設計; 電界金めっき; Ku帯; 移相器; エア分離CPW; 高抵抗シリコン基板; Ku帯(12～18GHz); フェイズドアレイアンテナ; SOI(Silicon On Insulator); D-RIE; シリコンモノリシック移相器; 金めっき; 可変容量MEMSキャパシタ

Dual-SPDT(Single Pole Double Throw)RF-MEMS(Radio Frequency Micro Electro Mechanical Systems)スイッチ,および,そのスイッチとLTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics)移相回路によるKu帯4-bit型線路切換移相器に関する原著論文が,IEEE Journal of Micro electro mechanical Systemsで受理された.この論文では,(1)SOI(Silicon on Insulator)ウェハによる機能分離レイヤ分離設計,(2)シリコン深堀加工と電解金めっきによる新MEMSプロセス,そして,(3)MEMSスイッチとLTCC移相回路のハイブリッド実装手法とその実例を掲載した.これにより,本研究で提案したレイヤ分離設計を用いることで,従来よりも小型・低損失・低コストを可能にするディスクリート型RF-MEMSスイッチが,10GHz以上の高周波用途に実現できることを示した.次に,従来のコプレーナ導波路(CPW)と比較して,レイヤ分離設計によるエア分離CPWが小型・低損失化に優れることを,計算機シミュレーション(HFSS,ANSYS社)で理論検証し,作製したエア分離CPWで実証した.3次元電磁界シミュレーション結果より,エア分離CPW構造を用いた場合のギャップ長は通常CPW構造と比較して,高抵抗シリコン(0.01S/m)基板上では3分の1の寸法まで縮小できることを示した.また,エア分離CPWの高い電界閉じ込め効果により,導波路基板厚み100μmのSOIウェハを用いても低損失性を維持できることがわかった.また,CPW型水平駆動MEMS導波路の信号線とGNDとの静電容量結合の変化に関しても考察した.解析モデルと3次元電磁界シミュレータを用いた理論計算,および,SPDT型RF-MEMSスイッチの実測結果を比較・評価した.計算結果より,スイッチON/OFF時の空気ギャップの最小値が1.5μm以上であれば,高周波特性に与える影響は少ない(挿入損失変化<0.05dB/mm)ため,可動導波路駆動時の左右非対称性によらずデバイス設計が可能である.この新設計ルールにより初期設計が容易になり,MEMSと高周波回路の集積化をさらに促進できる.

双SPDT（单刀双掷）RF-MEMS（射频微机电系统）开关和Ku波段4位线切换相移使用开关和LTCC（低温共烧陶瓷）相移电路原装关于硅的论文已被IEEE Journal of Micro Electro Mechanical Systems 接收。本文中，(1) SOI (Silicon on绝缘体）基于晶圆的功能分离层分离设计，（2）采用深硅加工和电解镀金的新MEMS工艺，以及（3）MEMS开关和LTCC相移电路的混合安装方法和示例，通过使用层分离。在本研究中提出的设计中，一种比传统开关更小、损耗更低、成本更低的分立式 RF-MEMS 开关可在 10 GHz 或更高频率下使用。接下来，利用本公司（Company）制造的空气分离CPW进行计算机模拟（HFSS、ANSYS理论验证）。三维电磁场模拟结果表明，采用空气分离CPW结构时的间隙长度高于使用空气分离CPW结构时的间隙长度。与普通CPW结构相比，具有高电阻硅的特性。结果表明，在波导基板上尺寸可以减小到三分之一（0.01S/m）。此外，由于空气隔离CPW的高电场限制效应，即使使用波导衬底厚度保持在100μm的SOI晶圆。我们还考虑了 CPW 水平驱动 MEMS 波导的信号线和 GND 之间电容耦合的变化。使用解析模型和三维电磁场模拟器以及 SP 进行理论计算我们对DT型RF-MEMS开关的实际测量结果进行了比较和评估。从计算结果来看，如果开关ON/OFF期间的气隙最小值为1.5μm以上，则对高频特性的影响很小（插入损耗变化<0.05dB/mm），在驱动可移动波导时，无论左右不对称性如何，都可以设计器件。这种新的设计规则简化了初始设计，并进一步促进了MEMS与高频电路的集成。

项目成果

メッキ金の厚膜マスクによるRF-MEMSコプレーナ導波路の製作

使用镀金厚膜掩模制造 RF-MEMS 共面波导

• 发表时间: 2011
• 期刊: 電気学会論文誌E
• 作者: 岩谷真一郎;薬師寺博;三谷宣仁;櫻井直樹;山根大輔
• 通讯作者: 山根大輔

Monolithic integration of passive RF components by MEMS

通过 MEMS 单片集成无源射频元件

• 发表时间: 2011
• 作者: 岩谷真一郎;薬師寺博;三谷宣仁;櫻井直樹;Daisuke Yamane(山根大輔)
• 通讯作者: Daisuke Yamane(山根大輔)

A Ku-Band RF-MEMS Phase Shifter With SOI Double-Side Bulk-Micromachining Design

采用 SOI 双面体微机械设计的 Ku 波段 RF-MEMS 移相器

• 发表时间: 2010
• 作者: Daisuke Yamane(山根大輔);Daisuke Yamane(山根大輔)
• 通讯作者: Daisuke Yamane(山根大輔)

A Monolithic RF-MEMS Phase Shifter by SOI Layer-wise Design Method

采用 SOI 逐层设计方法的单片 RF-MEMS 移相器

• 发表时间: 2011
• 作者: 秋元秀美;岩谷真一郎;櫻井直樹;Daisuke Yamane(山根大輔)
• 通讯作者: Daisuke Yamane(山根大輔)

Dual-SPDT RF-MEMS Switch for Ku-Band

适用于 Ku 频段的双 SPDT RF-MEMS 开关

• 发表时间: 2010
• 作者: Daisuke Yamane(山根大輔)