(57)【要約】【課題】  ミリ波レーダ装置においては、より高感度、低消費電力化、小型化したモジュールが望まれている。【解決手段】  本発明のレーダ装置は、一方の主面上に回路素子が実装されたシリコン基板と、回路素子の実装された領域を除く領域に貼り付けられた第一の誘電体基板と、他方の主面上に貼り付けられた第二の誘電体基板と、第一の誘電体基板、シリコン基板、第二の誘電体基板にまたがって形成された空洞部の導波管領域を有する送信用スロットアンテナと、第一の誘電体基板、シリコン基板、第二の誘電体基板にまたがって形成された空洞部による導波管領域を複数有し、複数の空洞部の一端が共通接続された受信用スロットアンテナアレーと、この共通接続の領域で各々の空洞部に対応して設けられた超小型電子機械システム（ＭＥＭＳ）によるフィン移相器とを有する。【選択図】図２
2007228542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波信号の送信回路及び受信回路と信号処理回路とを有する回路素子と、
一方の主面上に前記回路素子が実装されたシリコン基板と、
前記一方の主面上で、前記回路素子の実装された領域を除く周辺領域に貼り付けられた第一の誘電体基板と、
シリコン基板の他方の主面上に貼り付けられた第二の誘電体基板と、
前記送信回路に接続され、前記第一の誘電体基板、前記シリコン基板、前記第二の誘電体基板にまたがって形成された空洞部により構成される導波管領域を有する送信用スロットアンテナと、
前記受信回路に接続され、前記第一の誘電体基板、前記シリコン基板、前記第二の誘電体基板にまたがって形成された空洞部による導波管領域を複数有し、前記複数の空洞部の一端が共通接続された受信用スロットアンテナアレーと、
前記共通接続の領域で前記各々の空洞部に対応して設けられ、前記各々の空洞部を伝搬する受信信号の位相を変換するための、超小型電子機械システム（ＭＥＭＳ）による誘電体材料で構成されたフィンの移相器と、
を有することを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】
前記回路素子は、
前記信号処理回路からの制御信号に従ってミリ波の発振出力信号を生成する電圧制御型発振回路と、
前記電圧制御型発振回路の発振出力信号に応じた送信信号を検知対象物体に向けて出力するために前記送信信号を前記送信用スロットアンテナに給電する送信回路と、
前記検知対象物体からの反射波が入力される受信用スロットアンテナアレーからの受信信号が入力される受信回路と、
前記送信信号及び前記受信信号に基づき、前記検知対象物体までの距離または前記検知対象物体の相対速度に応じた、前記送信及び受信信号の周波数のずれを検知するミキサー回路とを有することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
【請求項３】
前記電圧制御型発振回路は、前記第一の誘電体基板、前記シリコン基板、前記第二の誘電体基板にまたがって形成された空洞領域による共振部を有することを特徴とする請求項２記載のレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、目標物体との距離や相対速度を計測するためのレーダ装置、特にアンテナ構造、移相器等をＭＥＭＳ（超小型電子機械システム）技術を用いてミリ波送受信用ＩＣとともに一体化したミリ波レーダ装置のモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  近年、自動車の走行支援を目的としたＡＣＣシステムや車間距離警報システムなどが研究されており、該システムにおいて先行車との距離や相対速度を計測するための装置としてミリ波レーダが各社で開発されている。【０００３】  図１５は、このミリ波レーダの一般的なシステム構成を示している。ミリ波レーダシステムは、インターフェース回路１及び信号処理回路２を有するベースバンド部、電圧制御型発振回路３及びミキサー回路６を有するＲＦ回路、送信アンテナ４、そして受信アンテナ５とから構成される。【０００４】  そして、かかるミリ波レーダシステムでは、まず電圧制御型発振回路３において、信号処理回路２からの制御により変調され発振された送信信号が生成され、それが送信アンテナ４から対象物に向けて送信される。対象物からの反射（受信信号）は受信アンテナ５で受信される。送信信号は同時にミキサー回路６にも入力され、受信アンテナ５からの受信信号もミキサー回路６に入力される。対象物からの反射である受信信号は、レーダと対象物間の距離に応じて、また相対速度によるドップラシフトに応じて送信信号との周波数のずれを起こすため、ミキサー回路６は入力された両信号から周波数のずれに応じたビート信号を抽出する。【０００５】このようなシステムでは、送受信アンテナ４、５、ＭＭＩＣ７（発振器、パワーアンプ、レシーバ）とが別々に製造され、それらがモジュール化されている。そして、特許文献１には、このミリ波レーダに用いられるＭＭＩＣを含む高周波回路部を、多層基板に実装しモジュール化した構成が記載されている。【０００６】
【特許文献１】  特開２００４−１３４５４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】上述の従来技術においてもある程度の感度を持ち小型化されたシステムを作ることが可能であるが、より高感度、低消費電力化、小型化した装置が望まれている。特に、送受信アンテナなどは機械部品であるため大きく、従来技術の構造では小型化にも限界があった。【０００８】  本発明は、アンテナ構造、移相器等をＭＥＭＳ（超小型電子機械システム）技術を用いて形成し、ミリ波用送受信用ＩＣとともに一体化することにより、より高感度、低消費電力化、小型化することができるモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  上記目的を達成するために、本発明のレーダ装置は、高周波信号の送信回路及び受信回路と信号処理回路とを有する回路素子と、一方の主面上に前記回路素子が実装されたシリコン基板と、前記一方の主面上で、前記回路素子の実装された領域を除く周辺領域に貼り付けられた第一の誘電体基板と、シリコン基板の他方の主面上に貼り付けられた第二の誘電体基板と、前記送信回路に接続され、前記第一の誘電体基板、前記シリコン基板、前記第二の誘電体基板にまたがって形成された空洞部により構成される導波管領域を有する送信用スロットアンテナと、前記受信回路に接続され、前記第一の誘電体基板、前記シリコン基板、前記第二の誘電体基板にまたがって形成された空洞部による導波管領域を複数有し、前記複数の空洞部の一端が共通接続された受信用スロットアンテナアレーと、前記共通接続の領域で前記各々の空洞部に対応して設けられ、前記各々の空洞部を伝搬する受信信号の位相を変換するための、超小型電子機械システム（ＭＥＭＳ）による誘電体材料で構成されたフィンの移相器とを有する。【００１０】  また、回路素子は、信号処理回路からの制御信号に従ってミリ波の発振出力信号を生成する電圧制御型発振回路と、前記電圧制御型発振回路の発振出力信号に応じた送信信号を検知対象物体に向けて出力するために前記送信信号を前記送信用スロットアンテナに給電する送信回路と、前記検知対象物体からの反射波が入力される受信用スロットアンテナアレーからの受信信号が入力される受信回路と、前記送信信号及び前記受信信号に基づき、前記検知対象物体までの距離または前記検知対象物体の相対速度に応じた、前記送信及び受信信号の周波数のずれを検知するミキサー回路とを有することを特徴とする。【００１１】また、電圧制御型発振回路は、前記第一の誘電体基板、前記シリコン基板、前記第二の誘電体基板にまたがって形成された空洞領域による共振部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】    本発明のレーダ装置によれば、アンテナ構造、移相器等をＭＥＭＳ（超小型電子機械システム）技術を用いて形成し、ミリ波用送受信用ＩＣとともに一体化されるので、より高感度、低消費電力化、小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】    以下本発明の好適な実施の形態を、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係わるミリ波レーダ装置のシステム構成図である。ミリ波レーダ装置は、インターフェース回路１１及び信号処理回路１２を有するベースバンド部Ａ、電圧制御型発振回路１３及びミキサー回路１６等を有するＲＦ部Ｂ、送信アンテナ１４、そして受信アンテナ１５とから構成される。【００１４】そして、かかるミリ波レーダ装置では、まず、共振器１７を有する電圧制御型発振回路１３において、車内ＬＡＮ１０からインターフェース回路１１を介して与えられた信号に基づいた信号処理回路１２からの制御信号によって、変調され発振された送信信号が生成される。そして送信信号は、バッファ回路１８および増幅回路１９を介して送信アンテナ１４に伝えられ送信される。バッファ回路１８からの出力は、増幅回路１９に送られると同時にパワースプリッタ２０により受信側に設けられたミキサー回路１６にも供給される。【００１５】  そして、送信アンテナ１４から前方に向けて送信された信号の一部は、対象物にあたりそして反射し、反射信号が受信アンテナ１５で受信される。受信アンテナ１５は、複数のスロットアンテナ１５ａと、それぞれに設けられた移相器１５ｂとから構成され、この移相器１５ｂよってそれぞれのスロットアンテナで受信する信号の位相を制御することにより、反射信号の入射する方角、すなわち対象物の存在する方向を検出する。ミキサー回路１６は、ＬＮＡ回路２１を介して入力された受信信号とパワースプリッタ２０を介して入力された送信信号とから、両者の周波数のずれに応じたビート信号を抽出する。このことは、対象物からの反射である受信信号が、相対速度によるドップラシフトに応じた送信信号との周波数のずれを持つこと、更に、電圧制御発振器（ＶＣＯ）にＦＭ−ＣＷ変調を掛けていることによるレーダと対象物間の距離に応じた送信信号との周波数のずれを持つこと、を利用して受信信号を基に上述のビート信号を抽出するものである。そして、ビート信号は、バッファ回路２０を介して信号処理回路１２に伝えられ、対象物の位置及び速度情報が抽出される。【００１６】  次に図２乃至図６を用いて、このようなミリ波レーダ装置のモジュール構造について説明する。図２は、ミリ波レーダ装置全体の平面を示す構造図である。平面図であると、本当は最上部に設けられた誘電体基板３１に遮られて中の構造は見えないところ、説明の便宜上、誘電体基板３１は透過させて下部の構造を図示している。図３はａ−ａ線に沿った断面図、図４はｂ−ｂ線に沿った断面図、図５はｃ−ｃ線に沿った断面図、図６はｄ−ｄ線に沿った断面図である。【００１７】ミリ波レーダ装置３０は、酸化シリコン（ガラス）よりなる第１の誘電体基板３１とシリコン基板３２と酸化シリコン（ガラス）よりなる第２の誘電体基板３３とが順次張り合わされた構造を持ち、シリコン基板３２の一方の表面側には、別途通常の半導体製造技術によりベースバンド部が形成された、ベースバンドＩＣ４２およびＲＦ部が形成されたＲＦ−ＩＣ４３等が実装されている。これらのＩＣは、シリコン基板表面に形成された電極配線パターンにより必要に応じて接続されている���そして、ＲＦ−ＩＣ内の電圧制御型発振回路に接続される共振器は、第１の誘電体基板３１、シリコン基板３２、第２の誘電体基板３３にまたがって形成された、ドーナツ形状の空洞領域３４により構成される。【００１８】  送信アンテナは、一端がＲＦ−ＩＣからの電極配線に接続されたスロットアンテナであり、第１の誘電体基板３１とシリコン基板３２と第２の誘電体基板３３とにまたがって形成された細長形状の空洞部から構成される第１の導波管領域３５を有する。そして、導波管領域の第２の誘電体基板３３送信側（アンテナ面）には、垂直方向の指向性を得るための複数のスロット４４（細長い切り抜き）が形成される。【００１９】  また、受信アンテナは、一端がＲＦ−ＩＣ４３からの別の電極配線に接続されたスロットアンテナアレーであり、第１の誘電体基板３１とシリコン基板３２と第２の誘電体基板３３とにまたがって形成された、複数の細長形状の空洞部３６ａ〜３６ｆら構成される第２の導波管領域と、これらの空洞部の一端が共通接続された空洞共通部３７とを有する。第２の導波管領域の第２の誘電体基板３３の受信側（アンテナ面）には、送信側同様に複数のスロット（細長い切り抜き）が形成される。受信アンテナは更に、空洞部毎に位相を制御することが出来る移相器３８を有しており、移相器３８は、空洞部３６ａ〜３６ｆにそれぞれ対応して設けられたＳｉＮ（窒化シリコン）フィン移相器３９及びＳｉＮフィン・アクチュエータ４０と、これらの駆動を制御するための駆動用ＣＭＯＳ回路部４１とを有する。本実施の形態では窒化シリコンにより移相器を構成したが、材料はこれに限らずその他の誘電体材料でも用いることも可能である。【００２０】ＳｉＮフィン移相器３９及びＳｉＮフィン・アクチュエータ４０は、静電気等を使った可動構造に基づく構成であるため、超小型電子機械システム（ＭＥＭＳ）として知られる技術を用いて製造され、駆動用ＣＭＯＳ回路部４１は、通常の半導体製造技術を用いてシリコン基板３２上に作られる。【００２１】  次に、図７及び図８を用いて、前述のレーダ装置モジュールの製造方法について説明する。図７（ａ）乃至（ｅ）は、図２のｃ−ｃ線に沿った断面を参照したレーダ装置の製造方法を示す工程図であり、図８（ｆ）乃至（ｈ）は、同様に図２のｃ−ｃ線に沿った断面の製造方法であって、図７（ｅ）に続く製造工程を示す工程図である。同図は、図２全体の縮尺を考慮すると必ずしも忠実に描いたものとは言えないが、図２のｃ−ｃ線に沿った断面に現われる構成要素を組み入れて表現している。【００２２】  まず、図７（ａ）に示すように、例えばｐ型のシリコン基板５０が用いられ、その表面には通常の半導体製造技術によりＣＭＯＳ回路部５１が形成される。図中には一般のＣＭＯＳ構造が示されているが、これは一般の半導体製造技術を使って製造することのみを示す一例であり、ＣＭＯＳ回路部５１では、その機能を考慮して適当な回路が設計され製造される。本願発明は、レーダ装置全体に係わるモジュールの構造に特徴があるため、ここで回路自体の詳部についての説明は省略する。【００２３】次に、図７（ｂ）に示すように、可動部５２（ＳｉＮフィン及びＳｉＮフィン・アクチュエータの形成領��）、導波部５３（導波管領域となる空洞部）のシリコン基板５０を一般の半導体フォトリソグラフィ技術を使って適当な深さまでエッチング除去し、そして図７（ｃ）に示すように、導波部内壁のみメッキ法等により金属層５４を形成する。導波部５３は、図２に示された空洞共通部３７及び空洞部３６ａの両領域を示している。【００２４】その後、図７（ｄ）に示すように、導波部５３をフォトレジスト５５などで埋め、続いて、電極層の形成、フォトレジストなどの犠牲層の形成、窒化シリコン層の形成及びパターニング、フォトレジストのエッチングなどの工程を経て、図７（ｅ）に示すように、可動部５２に、窒化シリコンからなるＳｉＮフィン５６及びＳｉＮフィン・アクチュエータを形成するとともに、ＣＭＯＳ回路部５１に外部へ接続される配線電極を形成する。このＳｉＮフィン５６は、導波管領域に伝搬する電波の位相を制御するために、ＣＭＯＳ回路部５１からＳｉＮフィン・アクチュエータを介して与えられる静電気によって適宜動く（回転する）構造でなくてはならないため、中央の支持部以外の周辺領域には空隙が形成される。【００２５】続いて、図８（ｆ）に示すように、シリコン基板５０に形成された導波部の空洞に対応して凹部が形成された酸化シリコン基板（ガラス基板）５１を用いて上部から覆い貼り合わせた後、図８（ｇ）に示すように、シリコン基板５０の裏面側から適当な厚さになるよう研磨する。酸化シリコン基板５１の凹部には、シリコン基板５０同様にメッキ法等により金属層６０が形成される。【００２６】その後、図８（ｈ）に示すように、シリコン基板５０に形成された導波部の空洞に対応して凹部が形成された酸化シリコン基板（ガラス基板）５８を用いて上部から覆い貼り合わせることで導波領域となる空洞部６１を形成する。酸化シリコン基板（ガラス基板）５８の露出面側は、当該モジュールのアンテナとなる面であり、事前に複数のスロット（細長い切り抜き）５９が形成されている。このスロット５９は、図２中の受信アンテナに形成されたスロットに対応する。また、本製造工程においては図示しないが、シリコン基板５０上の、ベースバンドＩＣ及びＲＦ−ＩＣの実装領域には、配線パターンが形成され、最終的にこれらのＩＣが実装される。ベースバンドＩＣ及びＲＦ−ＩＣについては、本実施の形態では別チップとして製造し実装する例を示したが、これに限らず、シリコン基板５０に形成することも可能である。【００２７】上記製造方法の工程は、図２ｃ−ｃ線に沿った部分のみを示したものであるが、空洞部の形成工程は、その他の受信アンテナ領域でも、送信アンテナ領域でも、電圧制御型発振回路の共振器でも同様である。【００２８】次に、上述の実施の形態で説明を省略したＳｉＮフィン及びＳｉＮフィン・アクチュエータについての具体的な構造のいくつかの例を、図９乃至図１４を参照して説明する。まず、図９はＳｉＮフィン及びＳｉＮフィンアクチュエータの一例の概略構造を示す平面図である。これらは、ＭＥＭＳ（超小型電子機械システム）技術の製造方法に従って形成された可動部であり、第１の電極７０ａ、第２の電極７１ａ、軸受け７２ａ、ＳｉＮフィン７３ａとを有し、これら２つの電極に与えられる電圧に��る静電力を利用して図に示された矢印のようにＳｉＮフィン７３ａを動かすものである。そして、この動きにより、その先に設けられた空洞部に対するＳｉＮフィンの突出量を変化させる。【００２９】図１０は、ＳｉＮフィン及びＳｉＮフィンアクチュエータの他の例である。図９に示す構造同様に、第１の電極７０ｂ、第２の電極７１ｂ、軸受け７２ｂ、ＳｉＮフィン７３ｂとを有し、これら２つの電極に与えられる電圧による静電力を利用して図に示された矢印のようにＳｉＮフィン７３ｂを動かし、ＳｉＮフィンの突出量を変化させる。図１１は、ＳｉＮフィン及びＳｉＮフィンアクチュエータの他の例である。可動部は、上部電極７５、下部電極７６、レバー固定部７４、ＳｉＮフィン７７とを有し、これら２つの電極に与えられる電圧による静電力を利用して、両電極を接近させるか否で可動させ、それに従ってＳｉＮフィン７７を図に対して上下に動かす。【００３０】図１２は、ＳｉＮフィン及びＳｉＮフィンアクチュエータの他の例である。図９に示す構造同様に、第１の電極７０ｃ、第２の電極７１ｃ、軸受け７２ｃ、ＳｉＮフィン７３ｃとを有し、これら２つの電極に与えられる電圧による静電力または電磁力を利用して図に示された矢印のようにＳｉＮフィン７３ｃを動かし、ＳｉＮフィンの突出量を変化させる。図１３は、ＳｉＮフィン及びＳｉＮフィンアクチュエータの他の例である。同様に、第１の電極７０ｄ、第２の電極７１ｄ、軸受け７２ｄ、ＳｉＮフィン７３ｄとを有し、図１２の構造同様に、これら２つの電極に与えられる電圧による静電力または電磁力を利用して図に示された矢印のようにＳｉＮフィン７３ｃを動かし、ＳｉＮフィンの突出量を変化させる。【００３１】図１４は、ＳｉＮフィン及びＳｉＮフィンアクチュエータの他の例である。可動部は、電極７９、レバー固定部７８、ＳｉＮフィン８０とを有し、電極７９に与えられる電気によりＳｉＮフィン８０またはその支持部を熱膨張させ、ＳｉＮフィン８０を図に対して上下に動かす。以上ＳｉＮフィン及びＳｉＮフィンアクチュエータからなる可動部の構造の例を示したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、他の構造を適用することも可能である。【００３２】  本発明のレーダ装置によれば、アンテナ構造、移相器等をＭＥＭＳ（超小型電子機械システム）技術を用いて形成し、ミリ波用送受信用ＩＣとともに一体化されるので、より高感度、低消費電力化、小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】  本発明の実施の形態に係わるミリ波レーダ装置のシステム構成図。
【図２】  本発明の実施の形態に係わるミリ波レーダ装置の平面を示す構造図。
【図３】  図２のａ−ａ線に沿った断面図。
【図４】  図２のｂ−ｂ線に沿った断面図。
【図５】  図２のｃ−ｃ線に沿った断面図。
【図６】  図２のｄ−ｄ線に沿った断面図。
【図７】  本発明に係わる、図２のｃ−ｃ線に沿った断面を参照したレーダ装置の製造方法を示す工程図。
【図８】  本発明に係わる、図２のｃ−ｃ線に沿った断面を参照したレーダ装置の製造方法を示す工程図。
【図９】  本発明の実施の形態に係わる、ＳｉＮフィン及びＳｉＮフィンアクチュエータの概略構造を示す平面図。
【図１０】  本発明の実施の形態に係わる、ＳｉＮフィン及びＳｉＮフィンアクチュエータの概略構造を示す平面図。
【図１１】  本発明の実施の形態に係わる、ＳｉＮフィン及びＳｉＮフィンアクチュエータの概略構造を示す平面図。
【図１２】  本発明の実施の形態に係わる、ＳｉＮフィン及びＳｉＮフィンアクチュエータの概略構造を示す平面図。
【図１３】  本発明の実施の形態に係わる、ＳｉＮフィン及びＳｉＮフィンアクチュエータの概略構造を示す平面図。
【図１４】  本発明の実施の形態に係わる、ＳｉＮフィン及びＳｉＮフィンアクチュエータの概略構造を示す平面図。
【図１５】  ミリ波レーダの一般的なシステム構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００３４】１  インターフェース回路
２、１２  信号処理回路
３、１３  電圧制御型発振回路
４  １４  送信アンテナ
５、１５、３６  受信アンテナ
６、１６  ミキサー回路
１７  共振器
１５ａ  スロットアンテナ
１５ｂ  移相器
１９  増幅回路
２０  パワースプリッタ
２１  ＬＮＡ回路
２２  バッファ回路
３１  第１の誘電体基板
３２、５０  シリコン基板
３３  第２の誘電体基板
３９  ＳｉＮフィン移相器
４０  ＳｉＮフィン・アクチュエータ
【図１】
2007228542.tif 000003
【図２】
2007228542.tif 000004
【図３】
2007228542.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007228542.tif 000009
【図８】
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【図９】
2007228542.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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