無線周波数マイクロエレクトロメカニカルシステム

無線周波数マイクロ電気機械システム（RF MEMS）は、無線周波数（RF）機能を提供するサブミリメートルサイズの可動部品で構成される電子部品を備えたマイクロ電気機械システムです。 ^[1] RF機能は、さまざまなRF技術を使用して実装できます。RF MEMS技術の他に、III-V化合物半導体（GaAs、GaN、InP、InSb）、フェライト、強誘電体、シリコンベースの半導体（RF CMOS、SiC、SiGe）、真空管技術がRF設計者に利用可能です。各RF技術は、コスト、周波数、ゲイン、大規模統合、寿命、直線性、雑音指数、パッケージング、電力処理、消費電力、信頼性、耐久性、サイズ、電源電圧、スイッチング時間、重量の間で明確なトレードオフを提供します。

RF MEMS コンポーネントには、小型フォームファクタと低位相ノイズを備えたCMOS 統合型 RF MEMS共振器や自立 発振器、RF MEMSチューナブルインダクタ、RF MEMSスイッチ、スイッチド キャパシタ、バラクタなど、さまざまなタイプがあります。

この記事で説明するコンポーネントは、RF MEMS スイッチ、スイッチド キャパシタ、バラクタに基づいています。これらのコンポーネントは、FETおよびHEMTスイッチ (共通ゲート構成の FET および HEMT トランジスタ) およびPINダイオードの代わりに使用できます。RF MEMS スイッチ、スイッチド キャパシタ、バラクタは、作動方法 (静電、電熱、静磁気、圧電)、偏向軸 (横方向、垂直)、回路構成 (直列、シャント)、クランプ構成 (カンチレバー、固定-固定ビーム)、または接触インターフェイス (容量性、オーム) によって分類されます。静電駆動型 RF MEMS コンポーネントは、挿入損失が低く、絶縁性、直線性、電力処理、Q 係数が高く、電力を消費しませんが、高い制御電圧と気密シングルチップ パッケージ (薄膜キャッピング、LCPまたはLTCCパッケージ) またはウェハー レベル パッケージ(陽極酸化またはガラスフリットウェハー ボンディング) が必要です。

RF MEMS スイッチは、 IBM 研究所(カリフォルニア州サンノゼ) 、^{[2] [3]}ヒューズ研究所(カリフォルニア州マリブ)、 ^[4]ノースイースタン大学とアナログ デバイス(マサチューセッツ州ボストン) 、^[5]レイセオン(テキサス州ダラス)、^{[6] [7]}ロックウェルサイエンス (カリフォルニア州サウザンドオークス) ^[8]によって開発されました。図 1(a) に示すような容量性固定-固定ビーム RF MEMS スイッチは、本質的には、可動上部電極 (ビーム) を備えたマイクロマシン加工コンデンサです。これは通常、伝送線路と並列に接続され、Xバンドから W バンド (77 GHzおよび 94 GHz) の RF MEMS コンポーネントで使用されます。図 1(b) に示すようなオーミック カンチレバー RF MEMS スイッチは、アップ状態では容量性ですが、ダウン状態ではオーミック接触になります。一般的には伝送線路と直列に接続され、DCからKa バンドコンポーネントに使用されます。

電気機械の観点から見ると、コンポーネントは、静電気力によって作動する減衰質量バネシステムのように動作します。バネ定数は、梁の寸法、および梁材料のヤング率、残留応力、ポアソン比の関数です。静電気力は、静電容量とバイアス電圧の関数です。バネ定数がわかれば、ビームを引き込むために必要なバイアス電圧であるプルイン電圧を手計算できます。一方、バネ定数と質量がわかれば、スイッチング時間を手計算できます。

RFの観点から見ると、これらのコンポーネントは抵抗とインダクタンスが無視できる直列RLC回路のように動作します。アップステートとダウンステートの静電容量は50 fFと1.2 pFのオーダーで、ミリ波回路設計の機能値です。スイッチの静電容量比は通常30以上ですが、スイッチドキャパシタとバラクタの静電容量比は約1.2〜10です。負荷Q係数は、Xバンド、Kuバンド、Kaバンドで20〜50です。^[9]

RF MEMSスイッチドキャパシタは、低容量比の容量性固定-固定ビームスイッチです。RF MEMSバラクタは、プルイン電圧以下にバイアスされた容量性固定-固定ビームスイッチです。RF MEMSスイッチの他の例としては、オーミックカンチレバースイッチや、軸方向ギャップウォブルモーターをベースにした容量性単極Nスロー（SPNT）スイッチがあります。^[10]

図2に示すように、RF MEMSコンポーネントは、誘電体の帯電を回避し^{[11] 、デバイスの寿命を延ばすために、バイポーラ}NRZ駆動電圧を使用して静電的にバイアスされます。誘電体の電荷は、ビームに永久的な静電力を及ぼします。DC駆動電圧の代わりにバイポーラNRZ駆動電圧を使用すると、誘電体の帯電が回避され、ビームに及ぼされる静電力が維持されます。これは、静電力がDC駆動電圧の2乗で変化するためです。静電バイアスは電流が流れないことを意味し、RFチョークの代わりに高抵抗のバイアスラインを使用できます。

RF MEMS コンポーネントは壊れやすいため、ウェーハ レベルのパッケージングまたは気密キャビティシーリングを可能にするシングル チップ パッケージングが必要です。キャビティは動きを可能にするために必要ですが、気密性は、梁上の水滴やその他の汚染物質によって発生するファンデルワールス力によってバネ力が打ち消されるのを防ぐために必要です。RF MEMSスイッチ、スイッチドコンデンサ、バラクタは、ウェーハ レベルのパッケージングを使用してパッケージ化できます。大型のモノリシック RF MEMS フィルタ、位相シフタ、および調整可能なマッチングネットワークには、シングル チップ パッケージングが必要です。

ウェーハレベル パッケージングは​​、図 3(a) に示すように、ウェーハダイシングの前に実装され、陽極、金属拡散、金属共晶、ガラス フリット、ポリマー 接着剤、およびシリコン フュージョン ウェーハ ボンディングに基づいています。ウェーハレベル パッケージング技術の選択は、 RF MEMS コンポーネントの材料層の熱膨張係数と基板の熱膨張係数のバランスをとってウェーハの反りと残留応力を最小限に抑えること、およびアライメントと気密性の要件に基づいています。ウェーハレベル パッケージング技術の性能指数は、チップ サイズ、気密性、処理温度、アライメント エラーの許容度 (不許容度)、および表面粗さです。陽極接合とシリコン フュージョン ボンディングでは中間層は必要ありませんが、表面粗さは許容されません。導電性中間層 (導電性スプリット リング)を使用した接合技術に基づくウェーハレベル パッケージング技術では、RF MEMS コンポーネントの帯域幅と分離が制限されます。最も一般的なウェーハレベル パッケージング技術は、陽極接合とガラス フリット ウェーハ ボンディングに基づいています。垂直相互接続によって強化されたウェハレベル パッケージング技術により、3 次元統合が可能になります。

図3(b)に示すシングルチップパッケージングは​​、LCP射出成形パッケージやLTCCパッケージなどの事前に製造されたセラミックまたは有機パッケージを使用して、ウェーハダイシング後に実装されます。事前に製造されたパッケージでは、目詰まり、剥離、はんだ付け、または溶接による気密キャビティシーリングが必要です。シングルチップパッケージング技術の性能指数は、チップサイズ、気密性、および処理温度です。

RF MEMS 製造プロセスは表面マイクロマシニング技術に基づいており、SiCr またはTaN 薄膜抵抗器 (TFR)、金属-空気-金属 (MAM) コンデンサ、金属-絶縁体-金属 (MIM) コンデンサ、および RF MEMS コンポーネントの統合が可能です。RF MEMS 製造プロセスは、III-V 化合物半絶縁、ホウケイ酸ガラス、溶融シリカ(石英)、LCP、サファイア、およびパッシベーションシリコン ウェーハなど、さまざまなウェーハで実現できます。図 4 に示すように、RF MEMS コンポーネントは、クラス 100クリーン ルームで6 ～ 8 の光学リソグ​​ラフィーステップを使用して 5 μm のコンタクト アライメント エラーで製造できますが、最先端のMMICおよびRFIC製造プロセスでは 13 ～ 25 のリソグラフィー ステップが必要です。

図 4 に示すように、重要な微細加工手順は次のとおりです。

• バイアスラインの堆積（図4、ステップ1）
• 電極層の堆積（図4、ステップ2）
• 誘電体層の堆積（図4、ステップ3）
• 犠牲スペーサーの堆積（図4、ステップ4）
• シード層の堆積とそれに続く電気めっき（図4、ステップ5）
• ビームパターン形成、放出および臨界点乾燥（図4、ステップ6）

臨界点乾燥を必要とする犠牲スペーサーの除去を除いて、製造手順は CMOS 製造プロセス手順に似ています。RF MEMS 製造プロセスは、BSTまたはPZT強誘電体および MMIC 製造プロセスとは異なり、電子ビームリソグラフィー、MBE、またはMOCVD を必要としません。

接触界面の劣化は、オーミックカンチレバー RF MEMS スイッチの信頼性の問題を引き起こしますが、図 5(a) に示す誘電体充電ビームスティクション^[12]と、図 5(b) に示す湿度誘起ビームスティクションは、容量性固定-固定ビーム RF MEMS スイッチの信頼性の問題を引き起こします。スティクションとは、駆動電圧を除去した後、ビームが解放されないことです。高い接触圧力は、低オーミック接触を保証するか、誘電体充電誘起ビームスティクションを軽減します。市販のオーミックカンチレバー RF MEMS スイッチと容量性固定-固定ビーム RF MEMS スイッチは、100 mWの RF 入力電力で 1000 億サイクルを超える寿命を実証しています。^{[13] [14]}高電力動作に関する信頼性の問題については、リミッターのセクションで説明します。

RF MEMS共振器は、フィルタや基準発振器に応用されています。^[15] RF MEMSスイッチ、スイッチドキャパシタ、バラクタは、電子走査（サブ）アレイ（位相シフタ）やソフトウェア無線（再構成可能アンテナ、調整可能なバンドパスフィルタ）に応用されています。^[16]

偏波および放射パターンの再構成可能性、および周波数同調可能性は、通常、SPSTスイッチやバラクタダイオードなどのIII-V半導体部品を組み込むことによって実現されます。ただし、これらの部品は、RF MEMS技術が提供する低挿入損失と高Q値を活用するために、RF MEMSスイッチおよびバラクタに簡単に置き換えることができます。さらに、RF MEMS部品は、ホウケイ酸ガラス、溶融シリカ、LCPなどの低損失誘電体基板^[17]にモノリシックに統合できますが、III-V化合物の半絶縁性および不動態化シリコン基板は一般に損失が大きく、誘電率が高くなります。低誘電正接と低誘電率は、アンテナの 効率と帯域幅にとって重要です。

従来技術には、0.1～6GHzの周波数範囲で動作するRF MEMS周波数調整可能フラクタルアンテナ^[18]、自己相似型シルピンスキーガスケットアンテナにRF MEMSスイッチを実際に統合して共振周波数の数を増やし、範囲を8GHz、14GHz、25GHzに拡張したもの^{[19] 、 [20]}、6GHzと10GHz用のRF MEMS放射パターン再構成可能スパイラルアンテナ^[21]、パッケージ化されたRadant MEMS SPST-RMSW100スイッチに基づく6～7GHz周波数帯用のRF MEMS放射パターン再構成可能スパイラルアンテナ^[22]、やはりRF MEMSスイッチを統合し、2.4～18GHzのさまざまな帯域で機能するRF MEMSマルチバンドシルピンスキーフラクタルアンテナ[23 ^]、2ビットKaバンドRF MEMS周波数調整可能スロットアンテナ^[24]などがあります。

サムスンOmnia WはRF MEMSアンテナを搭載した最初のスマートフォンでした。^[25]

アンテナが十分な選択性を提供できない場合、 RFバンドパス フィルタを使用して帯域外除去を増やすことができます。帯域外除去により、干渉を考慮したLNAとミキサーのダイナミック レンジ要件が緩和されます。集中バルク音響波 (BAW)、セラミック、SAW、水晶、およびFBAR共振器に基づくオフチップ RF バンドパス フィルタは、伝送線路共振器に基づく分散型 RF バンドパス フィルタ、低損失正接の基板上にプリントされた分散型 RF バンドパス フィルタ、または導波管キャビティに基づく分散型 RF バンドパス フィルタに取って代わりました。

チューナブル RF バンドパス フィルタは、スイッチド RF バンドパスフィルタ バンクに比べて大幅な小型化を実現します。これらは、III-V 半導体バラクタ、BST または PZT 強誘電体および RF MEMS 共振器とスイッチ、スイッチド コンデンサとバラクタ、およびYIGフェライトを使用して実装できます。RF MEMS 共振器は、高 Q 共振器と低損失バンドパス フィルタをオンチップに統合できる可能性があります。RF MEMS 共振器の Q 値は 100～1000 のオーダーです。^[15] RF MEMS スイッチ、スイッチド コンデンサ、およびバラクタ技術は、チューナブル フィルタの設計者に、挿入損失、直線性、消費電力、電力処理、サイズ、およびスイッチング時間の間の魅力的なトレードオフを提供します。^[26]

RF MEMS 位相シフタに基づくパッシブ サブアレイは、アクティブ電子走査アレイ内の T/R モジュールの数を減らすために使用できます。この説明は、図 6 の例で示されています。1 x 8 のパッシブ サブアレイが送信と受信に使用され、次の特性があると仮定します。f = 38 GHz、G _r = G _t = 10 dBi、BW = 2 GHz、P _t = 4 W。RF MEMS 位相シフタの低損失 (6.75 ps /dB) と良好な電力処理 (500 mW) により、EIRP は 40 W、G _{r /T は 0.036 1/K になります。EIRP は電力開口積とも呼ばれ、送信ゲイン G t}と送信電力 P _tの積です。G _r /T は、受信ゲインとアンテナ雑音温度の商です。長距離検出には、高い EIRP と G _{r /T が必須です。EIRP と G r} /T は、サブアレイあたりのアンテナ要素の数と最大スキャン角度の関数です。サブアレイあたりのアンテナ要素の数は、図 7 と図 8 に示すように、 EIRP または EIRP x G _r /T 積を最適化するように選択する必要があります。レーダー範囲の式を使用して、受信機の入力で 10 dB のSNRでターゲットを検出できる最大範囲を計算できます。

${\displaystyle {\mathrm {R={\sqrt[{4}]{\frac {\displaystyle {\mathrm {\lambda ^{2}\,EIRP\,G_{R}/T\,\sigma } }}{\mathrm {\displaystyle 64\,\pi ^{3}\,k_{B}\,BW\,SNR} }}}} }}$

ここで、k _Bはボルツマン定数、λ は自由空間波長、σ はターゲットのRCSです。表 1 に、半径 a が 10 cm の球(σ = π a ² )、面サイズ a が 10 cm の二面角反射鏡 (σ = 12 a ⁴ /λ ² )、車の後部 (σ = 20 m ² )、非回避型戦闘機 (σ = 400 m ² ) の各ターゲットの距離値が示されています。

RF MEMS 位相シフタは、レンズアレイ、リフレクトアレイ、サブアレイ、スイッチビームフォーミングネットワークなどの広角パッシブ電子走査アレイを、高EIRPおよび高 G _r /T で実現します。パッシブ電子走査アレイの従来技術には、オーミックカンチレバー RF MEMS スイッチに基づく 16 個の 5 ビット反射型 RF MEMS 位相シフタによって合成された線源によって給電される X バンド連続横スタブ (CTS) アレイ、^{[27] [28]平行板導}波路で構成され、25,000 個のオーミックカンチレバー RF MEMS スイッチを備えたX バンド 2Dレンズアレイ、 ^{[29]および RF MEMS SP4T スイッチと Rotman レンズ}焦点面スキャナに基づく W バンドスイッチビームフォーミングネットワークがあります。^[30]

RF MEMS 移相器の代わりに真の時間遅延 TTD 移相器を使用すると、関連する高距離分解能を備えたUWB レーダー 波形が可能になり、ビーム スクインティングや周波数スキャンを回避できます。 TTD 移相器は、スイッチドライン原理^{[8] [31] [32]}または分散装荷線原理^{[33] [ 34] [35] [36] [37] [38]を使用して設計されています。 スイッチドライン TTD 移相器は、特に X バンドまでの周波数で、デシベル}NFあたりの時間遅延の点で分散装荷線 TTD 移相器よりも優れていますが、本質的にデジタルであり、低損失で高絶縁の SPNT スイッチが必要です。 ただし、分散装荷線 TTD 移相器は、アナログまたはデジタルで実現でき、より小さなフォーム ファクタで実現できるため、サブアレイ レベルで重要です。 アナログ移相器は単一のバイアス ラインを介してバイアスされますが、マルチビット デジタル移相器では、サブアレイ レベルでの複雑なルーティング スキームに加えて並列バスが必要です。

• S. Lucyszyn (編)、「Advanced RF MEMS」、ケンブリッジ大学出版局、2010 年 8 月、ISBN 978-0-521-89771-6