ピコリットル流体搬送の誘電率変化を利用した広帯域 MEMS 高周波可変デバイスの研究
Study on wide-band frequency variable RF-MEMS devices utilizing change in permittivity generated bypico-liter liquid transportation
るようにするため、メアンダインダクタと流体可変キャパシタをモノリシック構造で作製した。流体可変キャパシタは、純水を 8 個のキャパシタセルに順次充填することにより最大 11.1 pF と増大して、初期キャパシタンス（0.36 pF）に対して最大可変率約 31 倍をもつことが実証できた。試作した流体可変 BEF は、中心周波数 0.92～4.52 GHz の帯域で周波数可変するこ

鈴木 健一郎 (Kenichiro SUZUKI, Ph. D.)とができた。

立命館大学 理工学部 機械工学科 教授(Professor, Department of Mechanics Engineering, College ofScience and Engineering, Ritsumeikan University)

１．はじめに無線システムは、通信、制御、認証に関する広い応

情報通信学会 電気学会受賞：EEE Electron Devices Society 1990 年度 Best Paper Award (PaulRappaport Award) (1991 年 12 月) 日経エレクトロニクスジャパン・ワイ
ヤレス・テクノロギー・アワード優秀賞 (2013 年 5 月 31 日)
著書：鈴木健一郎：肥後矢吉編 谷川、鈴木、磯野、荻、土屋、石山「小さなものをつくるためのナノ/サブミクロン評価法」第 5 章 (pp.129-158) コロナ社 (2015 年 7 月 17 日) 鈴木健一郎：RF-MEMS の設計と製作技術、リアライズ理工センター (2006 年 6 月 30 日)
研究専門分野：MEMS センサ 共振器 アンテナ 可変フィルタ用領域で使用されており、現在、データ・画像伝送、電力伝送、人体通信、医療、センサに関連する新しい応用技術が進んでいる。しかし、技術の急速な進歩に伴って、従来の技術では十分に対応できない課題が次々と明らかになってきた。通信技術の分野においては、スマートフォン等に代表される通信端末において使用される周波数の広帯域化[1]に対応して、通信端末に搭載されるフィルタの増加と RF フロントエンド回次世代通信用フィルタには高周波・広帯域路*3 規模の増大が深刻な問題となってきた。これを解対応、低損失、小型、周波数可変などの種々の要求が決するために、広い帯域にわたって周波数を変化させある。現在主流の SAW*1（Surface Acoustic Wave）ることができる周波数可変フィルタが要求されていフィルタは、周波数特性がほぼ固定されている為、複る。また、今日、無線 LAN（WLAN）による端末機数の通信方式に対して異なるフィルタを切り替えて対器間の無線接続が急速に普及しているが、広帯域化に応している。このため、今後マルチバンドが進むに従加えて、周波数可変とマッチング機能の革新（リコンって、回路規模がますます増大するという問題をもっフィグラブル等）が強く望まれている[2][3]。今後、無ている。LC 可変フィルタにおいては、主にキャパシ線通信がますます広汎に利用されていくにつれて、低タンスを変化させて周波数の可変を行うことができる損失化、小型化、高周波化、広帯域化、周波数可変、ことから、大きな静電容量可変率をもつキャパシタがマッチング等の機能向上を進めることがますます重要必要とされる。今までに電極間距離や電極面積を変化である。

あらまし

させてキャパシタンスを可変するという多くの研究が移動通信端末で使用される UHF 周波数帯（470進められてきたが、10 倍以下の小さな可変率に限られMHz～2.5 GHz：約 5.3 倍の周波数可変）で使用されていた。

る LC ローパス・フィルタ*4 を例にとって考えると、

本研究は、高い比誘電率 80 をもつ水をキャパシタ全周波数帯域をカバーするには 30 倍以上の静電容量の電極間に搬送することによって、80 倍の大きな静電変化を実現することが必要である。しかし、現在主流容量変化を起こす流体 MEMS キャパシタを高周波回の SAW（Surface Acoustic Wave）フィルタは、圧電路に応用することを目的にしている。今回、UHF 帯

材料を使用するために、シリコン IC とモノリシック

周波数可変 LC フィルタの研究について述べる。9 段集積化することができないことに加えて、静電容量可階に可変する帯域阻止フィルタ *2（BEF）を設計評価

変率が約数％程度と小さいという制限をもっている。

した。BEF は、1 GHz 以上の高周波帯域で使用でき

このため、SAW デバイスを使用して広い範囲の周波数
1TELECOM FRONTIER No.97 2017 AUTUMN

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可変を行うデバイスを作製すると、寸法が大きくなっ筆者らのグループは、大きな比誘電率をもつ純水をキャパシタの電極間に出し入れすることで、図 2 にてしまうという問題がある。
近年、MEMS（Microelectromechanical systems）

示すように、80 倍の静電容量可変率をもつことが可技術を利用した可変キャパシタが注目されている。

能な流体可変 MEMS キャパシタを提案した[8]。そしMEMS 技術は、IC 回路と集積化に適しており、主にて、キャパシタとチップインダクタからなる UHF 帯電極間のギャップを変化させることによって静電容量の低域通過フィルタを作製して、13 倍の周波数可変を変化させることが可能である。図 1 に、静電アクチを実証した[9]。更に、使用周波数の高周波化を目指ュエータを利用した MEMS 可変キャパシタを示す[4]。

して、寄生要素の少ない薄膜スパイラルインダクタを中央の電極は、その側面に設けられた静電アクチュエ用いた帯域通過フィルタの作製を行った[10]。

ータによって上下に移動させられる。これにより、中央の電極とその上に設けられた固定電極の間のギャッAbsorbing slits

プが変化して、両者の間の静電容量が変化する。試作した可変キャパシタは、3～32 pF までの約 10 倍の静Capacitor channelsNanoliter delivery tank

電容量可変率をもっていた。この可変率は、今までに報告された MEMS 可変キャパシタの中で最大である。
この他に、MEMS バイモルフ構造を用いた可変キャパ

Si upper electrodes

シタが報告されている。これは、静電気力駆動で生じるプルイン*5 を避けるために、片持ち梁構造体に圧電Au lower electrodes

体薄膜を堆積して機械構造体を駆動させるという改良がなされたものである[5]-[7]。しかし、今まで報告された可変キャパシタの中で、一つのデバイスで全 UHF

図２

MEMS 流体可変キャパシタ[8]帯をカバーできるものは未だないのが現状である。

rd

RF electrode (3 level)[ SEM ]ndMovable plate (2 level)
10μm
ndInterconnecting-bar(2 level)ndActuator(2 level)[断面構造]

図１

MEMS 静電アクチュエータを利用した可変キャパシタ[4]2TELECOM FRONTIER No.97 2017 AUTUMN

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しかし、このフィルタは、図 3 に示すように、チップ主な目的にした。また、流体駆動技術を RF 回路と集インダクタとシリコン流体 MEMS チップのそれぞれ積化する技術についても簡単に紹介する。

を FR-4 基板の上でボンディングワイヤで結線したものであったために、1 GHz 以上の高い周波数で特性が２．高周波可変デバイスの原理著しく劣化するという問題をもっていた。この問題を２.１ 可変帯域阻止フィルタ（BEF）

解決するには、寄生成分を抑制する為にインダクタとLC 可変フィルタは、主にキャパシタンスを変化さ

流体 MEMS キャパシタをモノリシック構造で作製すせて周波数可変を行う機能デバイスであり、周波数をることが必要である。モノリシック構造は、同時にデ広帯域に可変するには、大きな静電容量可変率をもつバイスを小型化するのにも役立つ。一方、キャパシタキャパシタが必要である。筆者らは、キャパシタ電極の狭い電極間で液滴を双方向に駆動することを目標に、の間に純水を挿入することを利用して、静電容量変化

EWOD*6（Electrowetting on dielectric）原理[11][12]率 80 倍を実現できることに注目した。高周波デバイを利用した液滴駆動の研究を行った[9]。EWOD 駆動

スにこの可変キャパシタを応用することを実証するた法は、すでに実用化されているバブルジェット方式やめに、一つのインダクタと一つのキャパシタから構成圧電方式などの液体駆動方法と比べて、熱を用いず、で き る 最 も 簡 単 な 帯 域 阻 止 フ ィ ル タ （ Band小型であり、また、可動部分を持たないため信頼性がElimination Filter: BEF）を試作評価することにした。

高いという利点がある。さらに、EWOD は、液滴の今回試作した可変 BEF の回路構成を図 4 に示す。

流路内に電極を作製するだけで液滴を搬送することができるため、液滴を駆動する構造が簡単であるという特徴があり、移動体通信端末用途の可変フィルタの実現に適していると期待される。

LC1C2

図４C3C4C5Ctotal
C6C7C8可変帯域阻止フィルタ(BEF)の構成

メアンダインダクタのインダクタンスは 3.2 nH、可変流体 MEMS キャパシタを構成するセル数は 8 とし、各セルの静電容量（C1-C8）をフィルタが 0.5～6 GHz

図３ ハイブリッド MEMS 流体可変フィルタ[9]の範囲で動作するように設計した。ここで各 Cn は、電極間に純水を満たした状態に遷移することによって、本研究は、高周波システムに課せられた深刻な課題それぞれの初期値が 80 倍に増大する。図 5 に、このを エレクト ロニク スの機能 強化のみ に頼ら ずに、可変 BEF の周波数特性を回路シミュレータ Ansoft

MEMS 技術を活用した流体搬送を新たに取り入れる

Designer SV2 を用いて計算した結果を示す。これよことによって、高周波特性を大幅に改善するという新り、阻止帯域の中心周波数（fc）を 0.6～5.8 GHz の間しい着眼点をもっている。今回、UHF 帯で動作するで変化させることが可能であることが確認できる。

10 倍以上の周波数可変フィルタの実証を示すことを
3

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気二重層が存在するだけであるため、電極に 1 V 以下0の小さな電圧を印加するだけで（トンネル）電流が流れてしまう。この結果、液滴-電極界面に大きな電界をS21 [dB]-20発生させることができなくなる。絶縁膜はこの電流の-40
C1 - C4 C 1 - C 3 C1 - C2-60

C1 - C8C1No water発生を防止する働きがある。しかし、上の式よりわかるように、絶縁膜の厚さを薄くすることが液滴搬送にC1 - C6必要な電圧を低減するのに有効である。

-80

C1 - C7C 1 - C5-1000246Frequency [GHz]810Water-repellent film

図５ 可変帯域阻止フィルタ(BEF)の周波数特性：シミュレーション

FeGLASSOCDCr

図６EWOD を利用した液滴搬送原理の模式図

２.２ 流体搬送
図 6 に、EWOD を利用した液滴搬送原理を示す。
ガラス表面上に分割された二つの電極を設け、この上

３．流体 MEMS 高周波可変デバイスを絶縁膜と撥水膜で被覆した構造を作製する。分割さ３.１ 構造れた電極の間に置かれた液滴（一方の電極との接触面可変 BEF の全体構造を図 7 に示す。ガラス基板上積は他方のものよりもかなり大きくする必要がある）にメアンダインダクタと高周波伝送線路（CPW）が形

は、撥水膜表面と約 110°程度の接触角をもって接触し、成されており、T-junction を用いてインダクタと流体丸帽子の頭頂をもつ表面形状を形成する。この二つの電極の間に電圧を印加すると、液滴と撥水膜との間の［平面図］

接触角は、以下の Young-Lippmann 方程式に示すよう1860

Extended sidewalls

CPWに減少する。

cos V  cos  0  0 r 2V2t SL

Reservoircells
Extendedsidewalls

ここで、電圧を印加しないときの液滴の接触角を θ0、真空中の誘電率と絶縁膜の比誘電率をそれぞれ, 、絶縁層の厚さを t、液体-固体間の表面張力を γSL と表ると、接触角が減少することがわかる。この接触角の6830

C8C5C4Reservoir
cells

Reservoircells

C7C6C2Extendedsidewalls

示した。この式から、電極に印加する電圧を増加させ

Meander inductor

Capacitor

C3C1Reservoir
cells

8300

［斜視図］

減少は、固体-空気界面の表面張力 γSO が電圧印加によって増大したことに対応している。γSO が大きくなったことにより、この力に釣り合うために液滴の接触角が減少したのである。接触角がある値よりも小さくなった時（約 70°）に、液滴は接触面積が小さな電極の方向に移動し始める。ここで、液滴と電極との間に設図７けられた絶縁膜が存在することが重要である。これが可変 BEF の全体構造ない時には、液滴と電極との間には約 10 nm の薄い電4TELECOM FRONTIER No.97 2017 AUTUMN

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可変キャパシタの直列回路が CPW に並列に接続され３.３ 評価ている。可変キャパシタを構成する 8 個のキャパシタ

試作したデバイスの高周波特性をベクトルネットワのそれぞれの上部電極は、シリコンから形成されておークアナライザ（Agilent 社 E8364C）を用いて評価り、ガラス基板上に設けられた金属下部電極と 20 mした。のギャップで向かい合っている。また、それぞれのキ最初に、試作した可変キャパシタの静電容量を周波ャパシタセルに純水を充填する際に、隣に漏れ出ない数に対して評価した。純水を小さいキャパシタセルかように Si 壁によって分離された 8 個の Reservoir cellら順次手動で充填していったため、水が充填されていが配置されている。デバイス寸法は 8300 × 6830 m2ない状態を含めて 9 個の測定データが得られた。図 9である。に、6 個のキャパシタンスの測定値を周波数に対して示した。キャパシタセルに純水が充填される毎にキャ３.２ 作製パシタンスが増加して、すべてのキャパシタセルに純可変 BEF は、4 枚フォトマスクから構成されるバル水を充填した時には 11.1 pF（f = 0.5 GHz）になった。

クサーフェイスマイクロマシニング技術*7 を用いて作

これは、初期キャパシタンス（0.36 pF）の 31 倍に相製された。ガラス基板（PYREX , コーニング#7740）当する。理論では、キャパシタンス変化率は 80 となと SOI シリコン基板をそれぞれ加工した後、陽極接合るはずであるが、配線の寄生容量（0.26 pF）の影響にを用いて両方の基板を接合した。試作したデバイス写

よって初期キャパシタンスが増加したために、キャパ真を図 8 に示す。可変キャパシタの二つの電極が、Auシタンス変化率が小さくなった。

及び Si からそれぞれ構成されているのがわかる。

Capacitance [pF]

1512C1 - C8
C1 - C79C1 - C6
C1 - C5
C1 - C4
C1 - C363C1 - C7

C1 - C6

C1 - C800.02 mm

図９0.51.01.5Frequency [GHz]2.0

可変キャパシタの静電容量：測定値［全体］

次に、可変 BEF の高周波特性を評価した。その結C8C7果を図 10 に示す。純水をキャパシタセルに充填する

C6C5と、キャパシタンスが増加するため、中心周波数が低C4C3C20.5 mm C1周波側へ移動することが実証された。全てのキャパシタセルに純水が充填された時、中心周波数は 0.92 GHzまで減少した。このことから、今回作製した可変 BEF
は、初期状態の中心周波数（4.52 GHz）に対して約［可変キャパシタ］

図８4.9 の大きな中心周波数変化率をもつものであること試作した可変 BEFがわかる。可変 BEF から得られた中心周波数変化率（約 4.9）は、キャパシタンス変化率 31 から算出した
5TELECOM FRONTIER No.97 2017 AUTUMN

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中心周波数変化率（約 5.6）よりも若干小さいが、こすることは困難なようである。筆者らは、駆動電圧

れは、メアンダインダクタに発生する寄生容量と可変低減を目指して、広い電極間ギャップが許容できるキャパシタに発生する寄生インダクタンスの影響によ

平面キャパシタ構造を提案した[15]。この構造は、って、BEF 特性が劣化したと推定される。

静電容量可変率が約 30 に半減するのが欠点である

今回の結果から、インダクタと可変キャパシタとをが、依然として大きな静電容量可変率を実現するこ集積化した流体可変キャパシタは、UHF（0.3～3 GHz）とができる。現在、このデバイスの液滴搬送評価を全帯域で使用できることが実証された。

行っている。
(2) 純水は、すぐに汚れてしまう性質があるため、短時間で純水の抵抗が低下してしまうという問題があ0る[16]。純水の高周波特性の経時変化を評価したところ、抵抗値の低下は水の蒸発に大いに依存してい-10S21 [dB]

C1 - C3
C1 - C8-20ることが明らかになった[17]。水の蒸発を防ぐため

C1 - C2 C1

C1 - C4

C1 - C7-30には、流路を完全に封止することが必要である。図C1 - C511 に、3-D 印刷技術を利用して作製した流路をもつ

C1 - C6可変キャパシタデバイスを示す[18]。このデバイス

Capacitance increasingの経時変化評価結果は、大いに興味深いものである。

No water-4001

図１０234Frequency [GHz]56４．将来展望とまとめ本研究で取り上げたデバイスは、いずれも現在の高可変 BEF の周波数特性：測定値

周波コンポーネント/システムにおいて強く望まれている機能（低損失、広帯域、周波数可変、インピーダ３.４ 課題と解決アプローチ

ンスマッチング）を飛躍的に向上するのに役立つものである。例えば、従来の SAW フィルタを利用する可流体可変キャパシタについて、以下の課題が残されている。

変フィルタは、数％の周波数可変機能をもっているが、(1) 可変キャパシタの電極間ギャップを狭くすると、本研究で開発する BPF（帯域通過フィルタ）を用いる駆動電圧が増大する。10 m ギャップの場合にはと、10 倍以上の周波数可変が可能となる。今回無線通150 V の電圧が必要であった[13]。この駆動電圧を信において、最も関心が高い UHF 帯の周波数を主に低減させるために、AC 電圧を印加する動的駆動方取り上げたが、本研究の成果は、ミリ波レーダ等のさ法が検討されている[14]が、駆動電圧を大きく低減らに高い周波数帯にも適用することが可能である[19]。

DropletA

ChannelA’

Channel wall

Droplet
1 mm

GND electrode

Drive electrode

A-A’ section

図１１

流路をもつ可変キャパシタ：左端のデバイスは 12 個の可変キャパシタを含んでいる

6TELECOM FRONTIER No.97 2017 AUTUMN

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ミリ波レーダは、ヒューマンエラーによる事故を未然破れて平衡が成り立たなくなる。この現象をプルイに防ぐために、車両自らが危険を検知して自動制御をンと呼ぶ。一般に、プルインは可動構造体が初期距行うプリクラッシュ・セーフティ技術として、現在、離の約 1/3 だけ変位したときに起こる。
*6 EWOD (Electrowetting on dielectric)

大きな注目を集めている。また、本研究をアンテナに適用すると、流体形状が自由に変化することを利用し絶縁膜で被覆した電極を用いて流体に電圧を印加て、広い帯域に適合するリコンフィグラブルアンテナ

すると、流体が接触している電極表面の表面張力がを実現することが可能となる[20]。以上のように、本変化する。この力の変化は、固体表面の濡れ性変化

研究の成果は、高周波分野において今後広く利用されとなって表れる。この性質を利用すると、固体表面ることが期待できる。に置かれた流体を変形させることができる。
*7 バルクサーフェイスマイクロマシニング技術
一般に、シリコン基板内部を加工するのがバルクマ用語解説

イクロマシニングであり、シリコン基板表面に構造*1 SAW (Surface Acoustic Wave)フィルタ体を形成するものをサーフェイスマイクロマシニ

圧電材料の表面に設けた金属電極に電圧を印加しングと呼ぶ。二つのシリコン基板の間にシリコン酸て圧電構造体を機械共振させると、表面を伝搬する化膜を挟んで互いに接合した基板（SOI 基板）を波を発生させることができる。この表面波は、強い利用して、一方のシリコン基板内部を加工すると、周波数依存性をもっているためにフィルタ回路にこれは他方の基板からみると、その表面に構造体を応用することができる。

形成することに相当する。このような加工方法は、*2 帯域阻止フィルタ(Band Elimination Filter: BEF)

単結晶シリコンという優れた材料を利用して、機械特定の周波数帯を除去するフィルタ回路。直列配列構造体を容易に作製できるという利点がある。

した L と C の回路を伝送線に並列に挿入することによって実現できる。
*3 RF フロントエンド回路

参考文献[1] 総務省

電磁波の送受信を行うための回路であり、高い周波周波数帯ごとの主な用途と電波の特徴数をもつ電磁波とこれよりも低い中間周波数（IF）

http://www.tele.soumu.go.jp/search/myuse/sum

で動作する信号処理回路との間で相互に信号変換

mary.htm[2] 澤井 繁, 三浦 直樹, 春山 信一郎, 眞田 幸俊 :を行う機能をもつ。
*4 LC ローパス・フィルタ“2.4GHz 帯と 2.5GHz 帯向けのリコンフィギュラ

インダクタとキャパシタから構成される低損失回

ブル RF-MEMS フィルタの測定,” 社団法人

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電気[3] 西野 有, 橘川 雄亮, 李 相錫, 井上 博元, 吉田

域周波数だけを通過させる低域通過（ローパス）フ幸久, 宮崎 守泰 :ィルタとなる。
*5 プルイン“RF-MEMS 反射型帯域可変フィルタ,” 社団法人

機械可動構造体を静電気力で変化させることを考える。可動構造体に働く静電気力は距離の 2 乗に反比例するために、構造体の変位が増大していくと、静電気力が次第に大きく増大するようになる。一方、ばねの復元力は、変位に比例して増大するだけである。このため、可動構造体の変位がある値を超えると、静電気力とばね復元力との間の力のつり合いが7

電気通信学会, 信学技報,(2007).
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TELECOM FRONTIER No.97 2017 AUTUMN

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この研究は、平成２５年度ＳＣＡＴ研究助成の対象として採用され、平成２６～２８年度に実施されたものです。

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