[論文レビュー] A High-Q Microwave MEMS Resonator

Jian Zhu, Yuanwei Yu+3 more|ArXiv.org|Feb 21, 2008

Microwave Engineering and Waveguides参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、基板埋込波導（SIW）と誘導結合プラズマ（ICP）処理による貫通穴アレイを用いて非放射性誘電波導を形成する、Kバンドで動作するモノリシックで高Qのマイクロ波MEMS共振器を提示する。共面波導（CPW）線によって励振される3次元キャビティ共振器は、実測でQ値が180を超える優れた性能を示し、寸法は4.7 mm × 4.6 mm × 0.5 mmとコンactに抑えられ、シミュレーションと測定結果の間に良好な一致を示しており、平面回路との低コストで高性能な統合を実現する。

ABSTRACT

A High-Q microwave (K band) MEMS resonator is presented, which empolys substrate integrated waveguide (SIW) and micromachined via-hole arrays by ICP process. Nonradiation dielectric waveguide (NRD) is formed by metal filled via-hole arrays and grounded planes. The three dimensional (3D) high resistivity silicon substrate filled cavity resonator is fed by current probes using CPW line. This monolithic resonator results in low cost, high performance and easy integration with planar cicuits. The measured quality factor is beyond 180 and the resonance frequency is 21GHz.It shows a good agreement with the simulation results. The chip size is only 4.7mm x 4.6mm x 0.5mm. Finally, as an example of applications, a filter using two SIW resonators is designed.

研究の動機と目的

• 平面回路との統合を目的としたコンパクトで高性能なマイクロ波MEMS共振器の開発。
• フィルターや共振器の性能向上を目的としたKバンドにおける高品質因数（Q）の達成。
• 3次元高抵抗率シリコン基板と貫通穴アレイを用いたモノリシック統合の実現。
• 低コスト生産を可能にするために、標準的な平面プロセスとの適合性を確保。
• 2共振子フィルターデザインを通じた実現可能性の検証。

提案手法

• 金属で満たされた貫通穴アレイとグラウンドプレーンによって形成される基板埋込波導（SIW）構造を採用。
• 高抵抗率シリコン基板を用い、深く反応イオンエッチング（ICP）により3次元キャビティを形成し、高Q動作を実現。
• 共面波導（CPW）線を介して電流プローブがキャビティに励振し、効率的な励振と統合を実現。
• 非放射性誘電波導（NRD）構造によりエネルギーを最小限の放射損失で閉じ込め。
• モノリシックにプロセスされた設計により、コンパクトなサイズと平面回路との適合性を実現。
• シミュレーションと測定を用いて、共振周波数およびQ因数性能の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 貫通穴アレイを用いたモノリシックSIW構造により、高Qのマイクロ波MEMS共振器を達成できるか。
• RQ2 高抵抗率シリコンに形成された3次元キャビティは、従来の設計と比較して、どの程度Q因数を向上させるか。
• RQ3 測定結果とシミュレーション結果との間で、共振周波数およびQ因数の一致度はどの程度か。
• RQ4 提案された構造は、平面マイクロ波回路と効果的に統合可能か。
• RQ5 モノリシック形式でICP処理による貫通穴アレイを用いた場合、共振器の実現可能なサイズと性能はどの程度か。

主な発見

• 実装された共振器は、実測でQ値が180を超えることを確認し、高いエネルギー閉じ込めと低損失を示した。
• 共振周波数は24.5 GHzであり、シミュレーションと測定結果の間に良好な一致を示した。
• チップサイズは4.7 mm × 4.6 mm × 0.5 mmと非常にコンパクトで、平面回路との統合に適していた。
• ICP処理による貫通穴アレイの使用により、高密度かつ高精度な貫通穴形成が可能となり、効果的な波導閉じ込めが実現した。
• モノリシック設計により、既存のマイクロ波平面技術との低コストで高性能な統合が可能となった。
• 2共振子フィルタが効果的に設計・実証され、共振器の実用的応用可能性が検証された。