[논문 리뷰] A High-Q Microwave MEMS Resonator

Jian Zhu, Yuanwei Yu외 3명|ArXiv.org|2008. 02. 21.

Microwave Engineering and Waveguides참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 K 대역에서 동작하는 단일체 고Q 밀리미터파 MEMS 공진기를 제시한다. 이 공진기는 기판 통합 파동도체(SIW)와 유도 결합 플라즈마(ICP) 처리된 빈공 배열을 이용하여 비방사성 유전체 파동도체를 형성한다. 공진기의 3차원 공진자 구조는 평면파동도체(CPW) 선로로 구동되며, 측정된 품질 인자(Q)가 180을 초과하는 고밀도 구조(4.7 mm × 4.6 mm × 0.5 mm)를 실현하여 시뮬레이션과 측정 결과 간 뛰어난 일치도를 보이며, 평면 회로와의 저비용·고성능 통합을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 평면 회로와의 통합을 위한 소형·고성능 마이크로파 MEMS 공진기 개발
• 필터 및 공진기 성능 향상을 위한 K 대역에서 고품질 인자(Q) 확보
• 3차원 고저항율 실리콘 기판과 빈공 배열을 이용한 단일체 통합 구현
• 저비용 생산을 위한 표준 평면 제조 공정과의 호환성 확보
• 이중 공진기 필터 설계를 통한 실현 가능성 검증

제안 방법

• 금속으로 채워진 빈공 배열과 접지 평면으로 구성된 기판 통합 파도도체(SIW) 구조를 공진기에서 활용
• 고저항율 실리콘 기판에 깊은 반도체 이온 에칭(ICP)을 이용해 3차원 공진자 형성하여 고Q 작동 구현
• 공진자에 효율적인 자극과 통합을 위해 평면파동도체(CPW) 선로를 통한 전류 프로브 구현
• 비방사성 유전체 파도도체(NRD) 구조로 에너지를 최소한의 방사 손실로 봉인
• 단일체로 제작되어 소형 구조와 평면 회로 호환성 확보
• 시뮬레이션과 측정을 통한 공진 주파수 및 Q 인자 성능 검증

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빈공 배열을 활용한 단일체 SIW 구조로 고Q 마이크로파 MEMS 공진기를 달성할 수 있는가?
• RQ2 고저항율 실리콘 기판에 형성된 3차원 공진기가 기존 설계 대비 품질 인자(Q)를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 공진 주파수 및 Q 인자에서 측정 성능이 시뮬레이션 결과와 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ4 제안된 구조는 평면 마이크로파 회로와 효과적으로 통합될 수 있는가?
• RQ5 단일체 형식에서 ICP 처리 빈공 배열을 이용한 공진기의 구현 가능한 크기와 성능는 어느 정도인가?

주요 결과

• 제작된 공진기는 측정된 품질 인자가 180을 초과하여 높은 에너지 봉인 및 낮은 손실을 입증
• 공진 주파수는 24.5 GHz이며, 시뮬레이션과 측정 결과 간 뛰어난 일치도 확보
• 칩 크기는 단지 4.7 mm × 4.6 mm × 0.5 mm로 평면 회로와의 소형 통합 가능
• ICP 처리 빈공 배열을 활용해 정밀하고 고밀도의 관통홀을 형성하여 효과적인 파도도체 봉인 구현 가능
• 단일체 설계로 기존 마이크로파 평면 기술과의 저비용·고성능 통합 지원
• 이중 공진기 필터가 성공적으로 설계 및 구현되어 공진기의 실용적 적용 가능성 검증