JP6216837B2 - マルチフェロイックの弾性表面波アンテナ - Google Patents

Description

例示の実施形態は、一般的に、無線通信テクノロジに関し、特に、アンテナによって達成可能な周波数応答に関して、小型化されたサイズのアンテナの設計及び製造方法に関する。

アンテナは、通信及びレーダーのための、幅広い様々なアプリケーションおよびテクノロジにおいて用いられる。最も一般的なアンテナのタイプである、ダイポールアンテナは、他の様々なデザインのための基礎を形成する。これらのダイポールベースのアンテナ、及び他の従来のアンテナのデザインは、一般的に、このようなアンテナが動作する周波数範囲に、直接関連するサイズを有するために製造される。例えば、従来のアンテナは、典型的には、アンテナによって送信又は受信される電磁放射線の波長の、１／２又は１／４のエレメント長を備えるサイズを有するように設計される。

アンテナの長さと周波数の間の直接で頻繁に適用される関係によれば、サポートすべき周波数が低くなるにつれて、アンテナの長さが一般的には、これに応じて長くならざる負えないことが理解され得る。この現象は、より低い周波数での通信をサポートするために、比較的大きなアンテナのサイズが必要になるであろうことを意味する。例えば、携帯デバイス、又は、空中プラットフォーム等の、いくつかのアプリケーションのためには、サイズ及び／又は重さの制限が、大きなアンテナの使用を不可能にし得る。大きなアンテナは、特定のアプリケーションのためには許容され得ない、レーダー断面的影響又は空気力学的影響を生成し得、あるいは、単に、特定の環境にてサポートされるべく、このようなアンテナを許容するために、発生する多数すぎる他のデザインのトレードオフを要し得る。

従って、上述の制限からの打破を許容するテクノロジを開発することが、望まれ得る。長いダイポール型のアンテナが取り除かれて、小型の、ことによるとコンフォーマルアンテナに置き換えられることを許容するテクノロジを提供することにより、無線通信の領域において、重大な改善が起こり得る。例えば、航空機での高周波シギント（ＨＦ ＳＩＧＩＮＴ）、及び車両、航空機、及びマンパックのための通信のための、３ＭＨｚから３０ＭＨｚの範囲の高周波（ＨＦ）におけるアプリケーションは、著しく進化され得る。同様に、サイズや重さの制限が通信環境での特定の周波数範囲をサポートすることを妨げていた、いくつかの他のアプリケーションも、このようなテクノロジによって多大に支援され得る。

いくつかの例示の実施形態は、したがって、アンテナによる達成可能な周波数レスポンスに対して、小型化したサイズを有するマルチフェロイック表面弾性波アンテナのための、デザイン及び製造方法を提供してよい。これに関して、いくつかの実施形態は、著しくアンテナのサイズを小型化するために、電気弾性基板とともに磁気弾性材料を採用してよい。

例示の実施形態において、マルチフェロイックアンテナエレメントが提供される。マルチフェロイックアンテナエレメントは、共鳴装置又は共鳴装置アセンブリ、電気弾性基板、及び電極又は組み合わされた電極を有する電極エレメントを備えてよい。共鳴装置アセンブリは、電磁波を電磁波の周波数に対応している機械的振動に、個別的に及び建設的に変換する、単一の又は複数の磁気弾性共鳴装置を備えてよい。電気弾性基板は、機械的振動を弾性波に変換するために、動作可能に共鳴装置に結合されてよい。電極又は電極アセンブリは、弾性波を、電磁波の周波数に関連する情報を保持している電気信号に変換するために、動作可能に電気弾性基板に結合されてよい。組み合わされた電極は、電気信号を読むための、電極アセンブリの１つの実施形態である。

他の例示の実施形態においては、マルチフェロイックアンテナエレメントの製造の方法が提供される。方法は、機械的振動を弾性波に変換するために電気弾性基板を提供するステップと、電気弾性基板の表面に共鳴装置アセンブリを提供するステップであって、共鳴装置アセンブリは、電磁波を電磁波の周波数に対応している機械的振動に変換する複数の磁気弾性共鳴装置を備えるステップと、弾性波を電磁波の周波数に関する情報を保持している電気信号に変換するために、電気弾性基板の一部にて、組み合わされた電極を提供するステップと、を含んでよい。

例示の実施形態に係るマルチフェロイックアンテナエレメントの概略ブロック図である。 例示の実施形態に係るマルチフェロイックアンテナエレメントに関する構造の、グラフィック描写の図である。 例示の実施形態に係る、図２に示される構造との接続における、図１のプロセスに対応する３つのステージのモデルのためのマルチ物理分析を示す図である。 共鳴装置又は共鳴装置のアレイをモデリングするための、４分の１対称性モデルを示す図である。示されているレイアウトは、例示の実施形態に係る、ＬｉＮｂＯ３基板におけるＮｉ共鳴装置の類似無限のアレイのための代表モデルである。 例示の実施形態に係る、ＬｉＮｂＯ３基板、ＩＤＥのもの、終端ＰＭＬ、及び回路モデルの拡張を提供している、第２の幾何学レイアウトを示す図である。 例示の実施形態に係る、ＰＳＯスペースにおける様々なパラメータを示している表である。ラムダは、アンテナ材システムにおける、主弾性波の波長である。 例示の実施形態に係る、ＬｉＮｂＯ３基板におけるＮｉ共鳴装置の構造の光学画像を示す図である。 例示の実施形態に係る、マルチフェロイックアンテナエレメントの製造に関する、第１のリソグラフィオペレーションのブロック図である。 例示の実施形態に係る、マルチフェロイックアンテナエレメントの製造に関する、第２のリソグラフィオペレーションのブロック図である。 例示の実施形態に係る、金属スタックの蒸着パラメータの表である。 例示の実施形態に係る、パターンフォトレジストの光学的画像である。 例示の実施形態に係る、フォトマスク上の蒸着した金のリフトオフ後の、パターントランスデューサ電極の光学的画像である。 例示の実施形態に係る、マルチフェロイックアンテナエレメントの完成したサンプルの光学的画像である。 例示の実施形態に係る、マルチフェロイックアンテナエレメントのレイアウトを示す図である。 例示の実施形態に係る、マルチフェロイックアンテナにおける、主要なエレメント及びその連結のブロック図である。

本発明は一般的な用語にて記述されており、参照は、必ずしもスケールにて描かれているわけではない添付の図面に対してここで行われるであろう。

いくつかの実施例は、添付の図面を参照して以下でより充分に、ここで説明されるであろうが、しかし、全ての実施例が示されるわけではない。実際に、ここに記載され図示された実施例は、本願の開示の範囲、適応性又は構成に限定して解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施例は、この開示が充分に出願可能な法律的要件を満たすように、提供されている。参照番号のように、同様な要素を通して参照するために用いられてよい。さらに、ここで用いられるように、用語「または」は、１つ以上の被演算子が真のときはいつでも、真である結果となる論理演算子として解釈される。

上述のように、いくつかの例示の実施形態は、著しくアンテナのサイズを小型化するために、電気弾性とともに磁気弾性の又は磁歪（以下、磁気的に及び機械的に結合された材料を意味するために、磁気弾性として参照する）の材料、電気弾性の又は圧電（以下、電気的に及び機械的に結合された材料を意味するために、電気弾性として参照する）基板を採用してよい。これに関して、例えば、磁気弾性の共鳴装置のベッドは、組み合わされた電極のペア（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ：ＩＤＥｓ）の間において、電気弾性基板に蒸着されてよい。電波の磁界コンポーネントが共鳴装置にあたるとき、共鳴装置は、電波と同じ周波数にて振動を開始する。共鳴装置と基板との間の拘束によって、これらの振動は、基板において、主弾性波を発生する。主弾性波とは、基板を移動している組み合わされた電気機械的な波であり、すなわち、配置及び電界の両方を示す。電気弾性の材料における「弾性波」とは、組み合わされた主弾性波である。弾性波は、基板の表面を横切って伝播する。弾性波の位相速度は、入射する電磁波よりも約５桁遅く、よって、電気弾性材料における対応しているピークトゥピーク波長である。弾性波のピークと谷は、基板における、圧縮の及び引っ張りの負担に対応し、そして従って、電気弾性基板における分配された正負の電位に対応し、これは、それから、適切なサイズ及びスペースのＩＤＥｓにて検出され得る。オリジナルの電波に関する情報は、電気弾性の材料の近接で、あるいは、当該近接において、電極又は電極たちから取得される電圧信号から分離され得る。従って、電波に関する情報は、大きなアンテナエレメントの必要性が無く、リカバーもされ得る。

多数の幾何学の配列は、共鳴装置及び電極のために存在し得る。多数の電気弾性の及び磁気弾性の材料は、また、上述のコンバージョンを達成するために用いられ得る。製造時に、本明細書に記載の発明の概念を採用しているアンテナは、同じ周波数のための従来のアンテナよりも小さい桁になり得る。いくつかの例示の実施形態が、本明細書において記載されるであろう。

図１は、例示の実施形態の実装に関する、構造及びエネルギーコンバージョンのブロック図を示す。図２は、例示の実施形態に係る、マルチフェロイックアンテナエレメントのグラフィック図を示す。図３は、例示の実施形態の実装に含まれている、デザイン及びモデリングの概念を示す。例示の実施形態は、図１−３の参照において、以下に記載されるであろう。

マルチフェロイックは、多数のフェロイックの状態を組み合わせる、材料又は構造である。我々のマルチフェロイックの複合構造の製造において我々が考えている、２つの主なフェロイックの状態は、電気弾性及び磁気弾性である。この明確な記述において、磁界の振動は、負担のカップリングを介して電気弾性基板に送られる、磁気弾性の材料にける機械的なレスポンスを生成する。

電気弾性の材料は、機械的に引っ張られたときに、電位を生成し、磁気弾性の材料は、外部磁界の存在範囲において、機械的な負担を生成する。どちらの効果もリニアではないが、計画的に選択されたバイアスポイントにて用いられる場合、外部磁界における小さな変化は、誘導された負担において比較的大きなリニアの変化をもたらし、これはピエゾ磁性によってほぼ近似され得る。同様に、電気弾性の材料によって観察される負担の量は、未だリニアの体制内であり、そして、それから、圧電的に近似される、電気分極における大きな変化をプロデュースし得る。これらの２つのタイプの材料を一緒に結合することは、マルチフェロイックの構造として機能する装置をもたらし、これは、マルチフェロイックアンテナエレメントにおいて、本明細書に記載のように用いられてよい。

図１は、例示の実施形態に係る、マルチフェロイックアンテナエレメント１０のブロック図を示す。特に、図１は、例示の実施形態に係るマルチフェロイックアンテナエレメント１０のデザインに関する、３つのステップのコンバージョンプロセスを行うためのブロック図を示す。図１に示されているように、電磁波１００の形式における入力信号は、共鳴装置アセンブリ１１０において受信されてよい。これに関して、電磁波１００は、与えられる周波数ｆにおいて伝播してよく、及び、共鳴装置アセンブリ１１０に入射してよい。全ての波は、ｖ＝ｆλに従っており、ｖは波の速度であり、λは波長であり、ｆは周波数である。例として、電磁波１００の周波数が１８ＭＨｚである場合、電磁波１００の波長（λＥＭ）は、約１６．６７ｍであってよい。

共鳴装置アセンブリ１１０は、電磁波１００を機械的振動１２０にコンバートしてよい。共鳴装置アセンブリ１１０は、電気弾性基板１３０と動作可能に結合されてよい。電気弾性基板１３０は、機械的振動１２０を弾性波１４０にコンバートしてよい。要求されないが、ニオブ酸リチウムが、いくつかの実施形態において、電気弾性基板１３０として用いられてよいが、所望の電気弾性のカップリングは、広い様々電気弾性の材料（すなわち、ＡｌＮ、ＰＺＴ、ＰＭＮ−ＰＴ、クォーツ等）で達成され得る。上述のように、弾性波１４０は、電磁波１００よりも約５桁遅く伝播してよい。弾性波１４０は、電気弾性基板１３０を介して電極アセンブリに伝播してよく、これは波の伝播パラメータに依存する組み合わされたデザインによってであってよく、１５０は、また、電気弾性基板１３０と動作可能に結合される。金（Ａｕ）であってよいが、いくつかの十分な導電性の金属又は半導体によって具現化され得る電極アセンブリ１５０は、それから、弾性波１４０を、オリジナルの電磁波１００の情報を保持している電気信号１６０にコンバートしてよい。

図２に示されるように、共鳴装置アセンブリ１１０は、複数の磁気弾性共鳴装置１１２から形成されてよい。いくつかの実施形態では、磁気弾性共鳴装置１１２は、Ｎｉから構成されてよいが、例えば、パーマロイ、テルフェノールＤ（Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ）、ＹｉＧ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＧａＢ、ＮｉＭｇＺｎＯ_３、Ｍｅｔｇｌａｓ等の他の適切な磁気弾性の材料から構成され得る。磁気弾性の材料は、典型的には、明らかな磁歪を示す軟磁性の材料である。磁気弾性の材料は、電磁エネルギーを機械的エネルギーにコンバートするために用いられ得る。従って、電磁波１００が共鳴装置アセンブリ１１０の磁気弾性共鳴装置１１２に入射するとき、磁気弾性共鳴装置１１２は、電磁波１００の周波数（ｆ）にて、機械的に振動してよい。この機械的な振動は、磁気弾性共鳴装置１１２から電気弾性基板１３０に動作可能に結合され、機械的振動１２０（図１参照）を弾性波１４０にコンバートする。

弾性波１４０は、それでもやはり、電磁波１００の周波数（ｆ）（例えば、５桁遅い）にて、空気中又は自由空間を介して移動するＥＭ波よりも著しく遅く、電気弾性基板１３０を介して伝播する。（例えば、弾性表面波（ＳＡＷ）に限定されない）弾性波１４０は、対応している機械的な波のピーク及び谷に関する電気エネルギーのポテンシャルを有してよい。結合された電気機械的な波は、弾性波１４０を電気信号１６０にコンバートするために、電極アセンブリ１５０を介して検出され得、これは、オリジナルの電磁波の情報を保持する。例示の実施形態の電極アセンブリ１５０は、図２に示すように、ＩＥＤ１５２を備えてよい。

上述のように、例示の実施形態の実行に関連して採用されるコンバージョンプロセスは、リニアではない。しかしながら、バイアスポイントの計画的な選択によって、上述の３つのステップのコンバージョンプロセスは、リニアの構成則に関して最適化され得る。最適化の方法は、伝達プロセス全体、又は、個別のコンバージョンステップのどちらかに、順次適用され得る。

図３は、例示の実施形態に係る、図２に示される構造に関する、図１のプロセスに対応している３つのステージのモデルのための、マルチ物理分析を示している図を示す。第１のデザインのオペレーションにおいて、数値解析プロセスは、マクスウェル方程式を解き、及び、磁気弾性共鳴装置１１２（例えば、Ｎｉエレメント）における、プロデュースされる局所磁界と共に、相互作用の量を定めるために用いられる。有限要素法（ＦＥＭ）がここでは示されているが、例えば、典型的な例として、ＦＥＭ、有限差分時間ドメイン、あるいは、モーメントの方法等の、多数の方法が用いられ得る。第１のデザインのオペレーションは、マクスウェル方程式を用いる入射するＥＭ波の調和レスポンスを演算する、電気磁気波ソリューション（ＥＭＷ）モジュール２００のためのモデルの生成を可能にしてよい。第１のデザインのステップにおいて獲得されるＥＭＷソリューションから、周波数の関数である、調和磁界ソリューションが決定される。ＣＯＭＳＯＬマルチ物理（ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ）を利用することが、圧電装置（ＰＺＤ）モジュール２１０を介して解決される場合、データは、調和の電気弾性レスポンスを生成するために、第２のデザインのオペレーションにおいて、機械的／磁気弾性モデルに入力されてよい。第２のデザインのオペレーションは、電気磁気のモデルを、電気機械的な振動にコンバートしてよい。減少した複雑さのモデル、例えば、電気弾性基板に結合される、個別の磁気弾性エレメントの４分の１対称モデルは、装置のパフォーマンスの演算を促進するために用いられてよい。周期境界条件は、個別のエレメントが全体のアレイの代表のレスポンスを提供するように用いられてよい。第２のデザインのオペレーションによって生成される機械的なモデル（すなわち、ＰＺＤモジュール２１０）は、弾性波（例えば、弾性波１４０）を、電気弾性基板上の電極を包含している遠距離場モデルにおける、基板の境界条件を出力してよい。第３のデザインのオペレーションに関する最後のモデル（すなわち、電気回路（Ｃｉｒ）モジュール２２０）において、信号強度（すなわち、電圧出力）とともに電極間隔は、シミュレートされる負荷接続から決定されてよい。全体の３つのステップのモデリングのプロセスは、デザインの変数として、幾何学及びスペースのパラメータでの、与えられる入力場の強度のための出力パワーを最大化するために、複合領域最適化プロセス（ＭＤＯ）アルゴリズムのコンテキスト内で動作されてよい。

マルチフェロイックアンテナエレメント１０のための製造プロセスは、様々な電気弾性基板に、様々な磁気弾性共鳴装置パターン及び電極を製造することを含んでよい。幾何学及びエッジ終端プロファイルは、採用される異なる材料によって異なってよい。従って、製造プロセスは、反復製造を含んでよく、この間に、特定の周波数のためのゲイン及びバンド幅、及び、目的とする使用ケース等の、装置の性能特性を最適化するためとともに、製造の能力及び信頼性を向上させるために、様々なプロセスの改良が決定されてよい。このようなものとして、様々な構造の検査は、確認目的のために行われてよい。いくつかのケースでは、無線周波数の検査に先だって、サンプルは、磁気弾性共鳴装置の静的磁気挙動を測定するために、磁気光学的カー効果（ＭＯＫＥ）、あるいは、他の磁気特徴システムにおいて検査されてよい。

いくつかの実施形態では、マルチフェロイックアンテナエレメント１０のデザインは、例えば、（例えば、ＣＯＭＳＯＬマルチ物理におけるＦＥＭは、）ＦＥＭあるいは他の適切な方法等の、多数の方法を用いて製造されてよい。ＦＥＭは、それから、例えば、（例えば、ＭＡＴＬＡＢにおける）粒子群最適化（ＰＳＯ）法、あるいは、他の適切な方法等の、最適なアルゴリズムを包含することによって、最適化されてよい。マルチフェロイックアンテナエレメント１０の分析のモデリング／デザインは、また、上述のように、３つのステップのプロセス全体において動作する最適なアルゴリズムを実行することを含む。

たいていの数式のように、特定の仮定は、合理的な所要時間にて、安定し、集束し、解決可能であるソリューションのシステムを生成するために、生成されることが必要であってよい。これを達成するために、リニアの圧電及び圧磁気としての、電気弾性及び磁気弾性の挙動の初期近似は、使用されるための様々な材料のために（例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）及びＮｉ各々のために）想定されてよい。磁気弾性のＮｉは、−３２ｐｐｍでの等方性の飽和磁気ひずみ係数、２０の比透磁率、及び（例えば、材料係数において、ＣＯＭＳＯＬのものを用いることにより）定義された他の全てのパラメータでの、多結晶及び多領域として取り扱われてよい。ＬｉＮｂＯ３は、３方結晶対称の電気弾性係数を記載するために、リニアランクの３つのテンソルで取り扱われてよい。ストレス変化、負担変化、あるいは、技術分野において一般に使用される構成型は、分析のために用いられてよい。ストレス変化構成型係数値は、Ｗｅｉｓ Ｒ．Ｓ．、Ｇａｙｌｏｒｄ Ｔ．Ｋ．著「ニオブ酸リチウム：物性と結晶構造の概要」、応用物理、Ａ３７、１９１−２０３（１９８５）において提供される。周囲の空気、金（Ａｕ）、ＩＤＥのもの、及びＳｉＯ２絶縁レイヤは、充分な等方性の媒体として取り扱われてよく、これらの係数の全ては、ＣＯＭＳＯＬの材料ライブラリによって画定されてよい。材料が確定された後、関係している物理パッケージは、適切に特定されてよい。

上述の３つのモジュール（すなわち、ＥＭＷモジュール２００、ＰＺＤモジュール２１０、及び電気回路モジュール２２０）は、結局、入射する電磁波をマルチフェロイック構造に結合し、及び、出力電極を横切る出力電気信号を生成するために作用してよい。ＥＭＷモジュール２１０は、周波数又は時間ドメインにおいて、マクスウェル方程式のフルセットを画定してよく、平面波として入射する電磁波１００（又は、ＥＭ波）を確立するために用いられてよい。この近似は、磁気弾性共鳴装置が、空気中又は自由空間における電磁波１００の波長よりも約５桁小さく、そして従って、電磁波１００の位相は、全ての共鳴装置エレメントを含んでいる穴の上にほとんど一定であるという事実によって、確認される。いくつかの検査のために、電磁波１００は、周囲空気の上部Ｚ境界において確立される１Ａ／ｍの表面電流によって生成され、Ｎｉ共鳴装置の短軸及び長軸に各々設けられている、完全電気導体（ＰＥＣ）及び完全磁気導体（ＰＭＣ）によって実施された。下部Ｚ境界は、また、ＰＺＤモジュール及び電気回路モジュール２２０における接地面として画定されているのと一致されるために、ＰＥＣと一緒に画定される。

ＰＺＤ物理パッケージ（すなわち、ＰＺＤモジュール２１０）は、２つの離れたジオメトリにおいて磁気弾性、及び、もたらしている電気弾性を画定するために用いられてよい。第１のジオメトリは、磁気共鳴装置アセンブリ１１０への電磁波１００のエネルギー変換を含む。Ｎｉエレメント及び隔離しているＳｉＯ２レイヤは、ＣＯＭＳＯＬ ＦＥＭシミュレーションの実施形態内で、リニア弾性及び電気の材料として、両方セットされてよい。リニア弾性のサブモジュール内で、最初の張力は、磁気弾性のカップリングを提供するために、ＥＭＷモジュール２００から取り出された、磁界のファンクションとして、Ｎｉのために画定されてよい。ＬｉＮｂＯ３は、十分な異方性のストレス変化フォームにおいて、電気弾性の材料として画定される。負のＺ境界は、提案された検査装置の圧迫に基づいて、固定され及び接地されてよく、及び、ＸＹ平面におけるすべての境界は、エレメントの無限アレイの近似への、対称及びゼロチャージコンディションを与えられる。一般的な突出マッピング機能は、正のＸ対称の境界からのＸスペースパラメータの４分の１のドメインに適用されてよい。この中間モデルの出力は、第１の幾何学的コンポーネントの各ノードから第２への、配置及び電位を入力するために用いられてよい。第２のジオメトリは、拡張したＬｉＮｂＯ３エレメント及びＩＤＥのものを生成するＡｕトレースを含む。

第２のジオメトリに対応しているＰＺＤ物理モジュール内で、負Ｘ表面は、「入射表面」に定められた配置及び電圧コンディションを適用することにより、第１のスタディに結合されてよく、これは、一般的な突出から与えられる。奇数のＩＤＥのものは終端１として画定され、終端２として偶数、及び、出力電圧を測定するために、それらの間に設けられた１０００オームと一緒に電気回路モジュール２２０に推し進められる。正及び負のＹ表面は、類似無限ネイチャーの近似への対称及びゼロチャージコンディションを与えられ、及び、第１のジオメトリのコンディションに合致するために、底面は接地され及び固定される。最後に、正のＸ方向は、入射する波とインターフェースする正のＸ境界から離れて、電気機械的な波のいくつかの反射を防止するために、完全結合レイヤ（ＰＭＬ）で終端される。物理プロトタイプにおいて用いられるウエハが、アレイ及びＩＥＤシステムよりも長さにおいて長いいくつかの波長であるから、引いている表面の近似は、計算的なスタンドポイントとともに、動弾性のスタンドポイントの両方から理にかなっている。

図４及び５は、システムの幾何学のレイアウトを示す。ジオメトリは、２つの分離したモデル、及び数値安定性のために３つの異なるスタディに分解された。第１のジオメトリは図４に示されており、ＬｉＮｂＯ３基板３１０におけるＮｉ共鳴装置３００の類似無限アレイのための、代表Ｎｉエレメントの４分の１対称モデルを示す。第２のジオメトリは、図５に示されており、ＬｉＮｂＯ３基板３１０、ＩＤＥのもの３２０、及び終端ＰＭＬ３３０の拡張を提供する。ＥＭＷソリューションは、譲って、周波数ドメインにおいて磁界を発生しフィードフォワードするために、双共益勾配数方法を用いて、第１のジオメトリのために、最初に演算されてよい。磁界の演算で、そのソリューションは、第１のジオメトリのために第２のスタディの中で与えられてよく、結合された磁気弾性―電気弾性の物理を解決する。もたらす配置及び電気弾性の電圧は、それから、第３のスタディに推し進められ、第２のジオメトリのために組み合わされた電気弾性―回路モデルを解決し、及び、回路モデルからの電圧出力を提供する。

適切なＦＥＭモデルで、ＰＳＯスキームは、（例えば、ＭＡＴＬＡＢにて）開発されてよい。ＰＳＯは、画定されたスケーラ出力を有する、いくつかのｎ次元のスペースをサーチし得る、メタヒューリスティックアルゴリズムである。本願の例では、ＩＤＥのものを横切る電圧は、最適ファンクションとして用いられてよい。アルゴリズムは、（例えば、ジェイコブロビンソン及び、ヤヤ ラマット‐サミィ著「電磁気学における粒子群最適化」、ＩＥＥＥ アンテナ及び伝播におけるトランザクション、５２（２）、２００４における）ロビンソン及びラマット‐サミィによる公式であって、これらの推奨された重み係数及び修正された見えない境界条件を用いているものに基づいてよく、単なる画定されたパラメータスペースの外部の目的ファンクションを演算するかわりに、個別の速度コンポーネントは、ソーシャル速度コンポーネントがエージェントをより早く結合に引き戻し得るように、ゼロ設定される。３つの終端コンディションは、０．１％のグローバル残留誤差、０．０１％のローカル残留誤差、及び１００の反復制限を含んでいるセットであってよい。製造の限界が考慮されるとき及びこのような実行のために、理想のパラメータスペースにロックしている間に、多数の最適化実行が行われてよく、そして、スペースが明瞭テーブル４００は、図６に示されるように、適用可能であってよい。

図７は、例示の実施形態に係る、ニオブ酸リチウム基板４２０上のニッケル共鳴装置構造４１０の光学画像を示す。図７に示されるニッケル共鳴装置構造のアレイは、直径４インチの１２８°ＸＹカットニオブ酸リチウムウエハ上に生成される。製造のプロセスは、製造に関するプロセスフローを示すブロック図である、図８及び９の参照において記載されるであろう。ウエハは、最終的に５００μｍの厚さに両サイドを光学的に磨かれた。ニオブ酸リチウムクリスタルのＸＹ平面は、ウエハの平面と垂直に並べられてよい。ウエハは、成長プロセスの間、伝播の方向に垂直に進められてよい。

製造は、オペレーション５００における処理の間に、認識のために各ウエハの背面への、ダイヤモンドスクライブを用いるウエハインスクリプションで始まってよい。誘電体及び金属スタックは、オペレーション５０５にて、電子ビーム蒸着システムを用いて、ウエハの上面に蒸着されてよい。この材料のマルチレイヤシステムは、ニッケル電着ステップのためのシードレイヤとして、及び、ニオブ酸リチウム基板４２０からニッケル共鳴装置構造４１０を電気的に絶縁するために作用してよい。スタックは、図１０の表６００に配置されている順番にリストされた４つのレイヤを備える。図１０の表６００は、また、蒸着率及び各レイヤの概要を示す。

蒸着後に、ネガ型フォトレジスト（例えば、ＫＭＰＲ １００５）は、オペレーション５０５にて、ウエハに回転されてよい。このフォトリソグラフィーステップは、ニッケルエレメントの成長において用いられたスルーマスクメッキモールドを画定してよい。図１１は、例示の実施形態に係るパターンフォトレジストの光学画像を示す。（図９に示されるように、略長方形の形であってよい）ニッケル共鳴装置構造４１０の寸法は、パターンフォトマスクを提供するために、長さ方向の端部の間に約８２μｍ、及び、隣接構造物の横のエッジの間に１４８μｍと一緒に、約３７２μｍの長さ及び約１３１μｍの幅を備えてよい。長方形エリア６１０は、下にあるチタニウムキャッピングレイヤに開いている。共鳴装置パターンの寸法は、画像にマークされる。フォトレジストは、ニッケルエレメントのトップでの、マッシュルーミングの発生なしで、６．４μｍの高さの共鳴装置デザインを収容するために、概略的に７μｍのフィルム厚さに回転されてよい。

レジストパターニングに続いて、ウエハは、電気メッキのために準備されてよい。下にあるカッパープレーティングシードをさらすために、チタニウムキャッピングレイヤは、オペレーション５１５にてシードスタックから取り除かれなければならない。チタニウムの除去は、１％のフッ化水素酸の酸エッチング溶液において行われてよい。エッチングの完成の確認は、ニッケルプレーティングオペレーション５２０にて行われる前に、視覚的に行われてよい。プレーティング溶液は、例えば、商業的に利用可能であってよく、ワットのコンポジションのニッケルプレーティングバスを用いるために準備されてよい。バスは、ホットプレート及びもとの位置の熱電対で、５５℃に維持されてよい。一定の電流電力供給は、蒸着の間、約５ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度に保持されてよい。６．４μｍを達成するための合計蒸着時間は、当該選択された電流密度において約１００ｎｍ／分の蒸着速度にて約６４分であってよい。

決定は、それから、オペレーション５２５にて過度のメッキが発生したか否かに関して決定されてよい。過度のメッキ及びメッキモールドのトップからのマッシュルーミングのイベントにおいて、過度のフィルム厚さは、オペレーション５３０にて、化学機械研磨（ＣＭＰ）にて磨き落されてよい。一般的に、処理されたウエハは、磨くことを要しないが、しかしながら、前の検査から、ＣＭＰパラメータは、受圧板への１ＰＳＩサンプルであり、３０ｒｐｍプレート速度、及び１０ｎｍのアルミナスラリーである。これは、電気メッキされたニッケルフィルムのための、１μｍ／分の材料除去スピードの結果をもたらす。

メッキモールドは、３０分間８０℃にて商業的なフォトレジストストリッパー（例えば、ＡＺ３００Ｔ）で、とり除かれてよい。これは、ウエハの残りを覆っている、下にあるシードレイヤをさらす。この残っているシードレイヤは、オペレーション５３５にて、カッパーシードレイヤのためのＡＳＰ１００のカッパーエッチングの後に、トップチタニウムキャッピングレイヤを取り除くために、希フッ酸の酸エッチングで、及び、最後のチタニウム接着層及び二酸化ケイ素絶縁層を取り除くために、他のフッ化水素酸の酸エッチングで、取り除かれてよい。シードスタックがニオブ酸リチウムの表面から取り除かれた後の、完全ニッケル共鳴装置構造４１０は、図７における画像と類似視してよい。その後は、ＩＤＥパターンリソグラフィーは、第２のリソグラフィオペレーションにて、オペレーション５４０にて行われてよく、これは、図９への参照において、以下に記載される。

（例えば、ＫＭＰＲ １００５を用いている）第２のリソグラフィステップは、装置測定のために用いられるインターデジタル変換器（ＩＤＥ）を画定するために行われてよい。ネガ型フォトマスクは、オペレーション５５０にて、導電材料がフィルムにおけるパターン開口にて、ニオブ酸リチウムの表面に蒸着される、リフトオフレイヤとして用いられてよい。ＩＤＴ構造の金属皮膜法は、オペレーション５５５にて、各々、２０ｎｍ及び１００ｎｍのチタニウム及び金の電子ビーム蒸着によって完成されてよい。完成した電極パターンの光学画像が、ＩＤＥピッチ及び指幅のための寸法と共に、図１２に示されている。フォトレジスト及び望まれない金属は、オペレーション５６０にて、約１２時間の間８０℃に加熱される、商業的なフォトレジストストリッパーを用いて取り除かれてよい。図１３は、ニオブ酸リチウムウエハ６７０の表面に蒸着された、金ＩＤＥ６５０及びニッケル共鳴装置パターン６６０の両方で、完成された検査デバイスの光学画像を示す。

完成した４インチウエハは、組み合わされた変換器（ＩＤＥ）及びニッケル共鳴装置パターンの２つのセットを含んでいる、４０ｘ７０ｍｍのプレートに切断されてよい。サンプルダイは、単一部分であるエポキシを用いる基板にプリントされたキャリアに張り合わされる。温順な溶解できる接着剤は、硬化している間にダイの底面への過度な負担を防止するために、及び、容易なダイの除去を許容するために、接着するために選択されてよい。２つのキャリヤレイアウトが用いられてよく、これは、ＩＤＥパターンを異なる検査システムに接続する。

直接接続レイアウトは、ネットワークアナライザで用いられてよい、検査装置の１例である。この接続法は、ＣＰＷ伝送線路に半田付けされたＳＭＡコネクタにマウントされたエッジを採用してよい。これらの伝送線路は、シングルエンド（Ｇ−Ｓ）装置における、ＩＤＥパッドに接着するワイヤを用いて接続されてよい。ＩＤＥのもの１つは、ＣＰＷ伝送線路を介して、表面マウントＳＭＡコネクタに直接接続されてよい。対立するＩＤＥは、ＲＦディフェレンシャルアンプに接続されてよい。アンプの出力は、シングルエンドオペレーションにコンバートされてよく、及び、１００ＫＨｚのデフォルトにセットするローパスカットオフ周波数で、ＲＦパワーディテクタに通されてよい。パワーディテクタ出力は、ＳＭＡコネクタにマウントされたエッジに接続されてよい。５ボルトのリニア電圧レギュレータは、アンプ及びＲＦディテクタに電力を供給してよい。

様々な検査法は、自由空間のＩＤＥカップリングとともに、アンテナ装置のＩＤＥ透過スペクトルにＩＤＥを特徴付けるために用いられてよい。ベクトルネットワークアナライザは、各ダイへの接続ポート１及び２による、Ｓ２１伝達レスポンスを測定するために用いられてよい。これは、散乱パラメータのフルセットの測定を可能にする。周波数は、５ｄＢｍの結合されたポート電力を用いて、１０−５０Ｍｈｚの範囲をこえて測定されてよい。第２のロックイン法は、信号のＲＦ ＲＭＳ電力のＤＣ表現への、レシーバＩＤＥでの出力レスポンスのコンバート、及び、ロックインアンプでの電力復調によって、用いられてよい。この技術は、正しい検査環境における、１０−１２ボルトの範囲へ、きわめて高感度の測定の低下を発生し得る。励起ＩＤＥは、スタンフォード研究システムＳＧ３８２ＲＦソースに、直接的に接続されてよい。ソース周波数は、−５ｄＢｍのポート電力にて、１０−５０ＭＨｚから掃引されてよい。このソースは、また、ＲＦ出力の１００％振幅変調を用いることにより、ロックイン参照のための１０ＫＨｚの変調信号を提供してよい。受信のＲＦディテクタ出力は、ＥＧ＆Ｇ７２２０ＤＳＰロックインアンプに接続されてよい。ロックインプリアンプは、５ｍＶのフルスケール感度のためのゲインの２０ｄＢを提供してよい。内部フィルタの時定数は、５０ｍｓに固定されてよい。周波数掃引は、ロックイン大きさ測定が各ポイントで行われる、８００ポイントに分けられてよい。

本明細書に記載の検査使用法、及び他の方法は、本明細書に記載のアンテナデザインが、多数の有益なアプリケーションにおいて、採用のために実用的である十分な帯域幅を有することを示唆する。各検査方法及びそれからの結果の議論は、この開示の範囲以上である。しかしながら、マルチフェロイックヘテロ構造からのレスポンスの測定は、３つのステップのコンバージョンを行うために、及び、オリジナルの電磁波に関する情報を保持するために、図１のマルチフェロイックアンテナエレメントの能力を確認にする。本明細書に記載のモデルを採用すること、本明細書に記載の最適化技術及び製造技術を採用することにより、共鳴装置、ＩＤＥ、及び基板デザインに関する様々なファクター及び材料は、レーダー、通信及び他の機器において、例示の実施形態を採用するために必要な穴の物理サイズ及び帯域幅を達成するために変更され得る。

いくつかのケースにおいて、完成したマルチフェロイックアンテナエレメント１０は、比較的小さい（例えば、１ｍｍより短い長さ及び幅を有している）サイズを有するためにデザインされてよい。図１４は、１つの例示の構造を示す。図１４に示されるように、共鳴装置７００は、ウエハ（例えば、ニオブ酸リチウム電気弾性基板）７１０の表面に配置されてよい。バランスされたＩＤＥのもの７２０は、それから、ウエハ７１０の反対の端部に分配されてよい。いくつかのケースにおいて、ボンディングパッド７３０は、また、デバイスを他の構造に接着すために提供されてよい。

図１５は、例示の実施形態に係る、マルチフェロイックアンテナエレメントを製造する方法のブロック図を示す。方法は、オペレーション８００にて、弾性波に機械的振動を変更するために、電気弾性基板を提供することを含んでよい。オペレーション８１０にて、方法は、更に、電気弾性基板に共鳴装置アセンブリを提供することを含んでよく、共鳴装置アセンブリは、電磁波を、当該電磁波の周波数に対応している機械的振動に変換する、複数の磁気弾性共鳴装置を備える。方法は、更に、オペレーション８２０にて、弾性波を、電磁波の周波数に関する情報を保持している電気信号にコンバートするために、電気弾性基板の一部にて、組み合わされた電極アセンブリを提供することを含んでよい。

いくつかのケースにおいて、オペレーション８００−８２０は、また、変更、増加、あるいは、増幅されてよい。例えば、いくつかの実施形態では、電気弾性基板は、ニオブ酸リチウムを備えてよい。例示の実施形態においては、共鳴装置アセンブリを提供することは、誘電体及び金属スタックをウエハの上面に蒸着すること、ウエハにネガ型フォトレジストを回転すること、及び、メタルスタックからチタニウムキャッピングレイヤを取り除くこと、ニッケルメッキを行うこと、及び、ニッケルベース共鳴装置を完成するために、フォトレジスト及び対応しているシードレイヤを取り除くことを含んでよい。いくつかの実施形態において、組み合わされた電極アセンブリを提供することは、組み合わされた電極アセンブリを形成するために、ウエハにチタニウム及び金を蒸着する、パターン開口、電子ビームを介して、ウエハの上面に導電材料を蒸着するためのフォトマスクを採用すること、及び、ストリッパーを介して、フォトレジスト及び望まれない金属を取り除くこと、を含んでよい。例示の実施形態では、電気弾性基板を提供すること、共鳴装置アセンブリを提供すること、及び、組み合わされた電極アセンブリを提供することは、各々、最適変数に対する有限要素モデルの生成及び最適化に基づいて行われてよい。いくつかのケースでは、有限要素モデルは、共鳴装置アセンブリをモデル化する電磁波周波数ドメイン（ＥＭＷ）モジュール、電気弾性基板をモデル化する電気弾性デバイス（ＰＺＤ）モジュール、及び、組み合わされた電極アセンブリをモデル化する電気回路（Ｃｉｒ）モジュールを備えている、物理モジュールを備えてよい。例示の実施形態では、最適変数は、組み合わされた電極アセンブリの、組み合わされた電極を横切る電圧であってよい。いくつかのケースにおいては、粒子群最適化は、最適変数に対する有限要素モデルを最適化するために、採用されてよい。例示の実施形態においては、共鳴装置アセンブリは、電気弾性基板の上面に配置されてよく、組み合わされた電極アセンブリの電極は、電気弾性基板の反対側に設けられてよい。例示の実施形態においては、マルチフェロイックアンテナエレメントの長さ及び幅は、１ｍｍ未満である。

ここで説明する発明の多くの変形例及び他の実施形態については、上述の説明及び添付の図面において示された教示の利益を有しておりこれらの発明にふさわしい技術の当業者によって理解されるであろう。よって、本発明は特定の開示された実施形態に限定されず、そして、変形例及び他の実施形態は、請求の範囲の範囲内に含まれるために、意図される。また、上述の説明及び添付の図面が、要素及び／又は機能の組み合わせの特定の例示の内容における例示の実施形態を記述するが、要素及び／又は機能の異なる組合せが、請求の範囲の範囲から逸脱せずに、選択的な実施形態によって提供されてよいことについて、理解されたい。これに関して、例えば、上述の例示のものに対して、要素及び／又は機能の異なる組合せは、また、請求の範囲のいくつかにおいて説明されてよいとして想到されてよい。いくつかのケースでは、利益、利点、または、課題の解決手段がここで説明されており、そのような利益、利点、及び／又は、解決手段は、いくつかの実施例において適用可能であるが、必ずしも全ての実施例において適用可能である必要はない。よって、ここに記載のいくつかの利益、利点、または、課題の解決手段は、全ての実施形態、あるいは、請求項に対して、重要である、必要である、または、本質的であると考えられるべきではない。特定の用語がここで採用されているが、これは、一般的に用いられており、そして描写的な概念のみに用いられており、限定の目的のために用いられていない。

Claims (19)

1. マルチフェロイックアンテナエレメントであって、
   電磁波を前記電磁波の周波数に対応している機械的振動に変換する磁気弾性共鳴装置を備えている共鳴装置アセンブリと、
   前記機械的振動を電気出力に変換するために、前記磁気弾性共鳴装置に動作可能に結合される電気弾性基板と、
   前記電気出力の監視を可能にするために、前記電気弾性基板に動作可能に結合される電極アセンブリと、を備え、
   前記磁気弾性共鳴装置は、前記電気弾性基板において弾性波を生成するエレメントのアレイである、
   マルチフェロイックアンテナエレメント。
2. 請求項１のマルチフェロイックアンテナエレメントであって、前記電極アセンブリは、組み合わされた電極アセンブリを備える、
   マルチフェロイックアンテナエレメント。
3. 請求項１のマルチフェロイックアンテナエレメントであって、前記電気出力は、前記電磁波の前記周波数に関する情報を保持する、
   マルチフェロイックアンテナエレメント。
4. 請求項１のマルチフェロイックアンテナエレメントであって、前記電気出力は、弾性波に対応する、
   マルチフェロイックアンテナエレメント。
5. 請求項１のマルチフェロイックアンテナエレメントであって、前記電気弾性基板は、ニオブ酸リチウム、クォーツ、ＡｌＮｉ、ＰＺＴ、あるいは、ＰＭＮ−ＰＴ基板を備え、前記磁気弾性共鳴装置は、ニッケル、又は、ニッケル合金、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ、ＹＩＧ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＧａＢ、Ｍｅｔｇｌａｓｓ、あるいは、ＮｉＭｇＺｎＯ _３ を備える、
   マルチフェロイックアンテナエレメント。
6. 請求項１のマルチフェロイックアンテナエレメントの製造方法であって、前記共鳴装置アセンブリに関連する物理構造、前記電気弾性基板、及び前記電極アセンブリは、製造前に各構造のために生成された対応しているモデルに基づいて生成される、
   マルチフェロイックアンテナエレメントの製造方法。
7. 請求項６のマルチフェロイックアンテナエレメントの製造方法であって、前記対応しているモデルは、最適変数または変数に対して生成及び最適化される、
   マルチフェロイックアンテナエレメントの製造方法。
8. 請求項７のマルチフェロイックアンテナエレメントの製造方法であって、前記最適変数は、前記電極又は前記電極アセンブリを横切る電圧を含む、
   マルチフェロイックアンテナエレメントの製造方法。
9. 請求項６のマルチフェロイックアンテナエレメントの製造方法であって、前記対応しているモデルの各々は、有限要素モデル、又は、有限差分時間ドメイン、又は、モーメントモデルの方法、又は、類似の数値計算法であり、及び、スパイス（ＳＰＩＣＥ）モデル、又は、類似の回路シミュレーション方法に結合され得る、
   マルチフェロイックアンテナエレメントの製造方法。
10. 請求項７のマルチフェロイックアンテナエレメントの製造方法であって、前記有限要素モデルは、前記共鳴装置アセンブリをモデル化する電磁波（ＥＭＷ）モジュール、前記電気弾性基板をモデル化する圧電デバイス（ＰＺＤ）モジュール、及び、前記電極アセンブリをモデル化する電気回路（Ｃｉｒ）モジュールを備えている、物理モジュールを備える、
    マルチフェロイックアンテナエレメントの製造方法。
11. 請求項１のマルチフェロイックアンテナエレメントであって、前記共鳴装置アセンブリは、前記電気弾性基板の表面に設けられており、前記電極アセンブリの電極は、前記電気弾性基板の両端に設けられている、
    マルチフェロイックアンテナエレメント。
12. 請求項１のマルチフェロイックアンテナエレメントであって、前記マルチフェロイックアンテナエレメントの長さ及び幅は、前記電磁波の長さの１０分の１未満である、
    マルチフェロイックアンテナエレメント。
13. マルチフェロイックアンテナエレメントを実現する方法であって、
    機械的振動を電気出力に変換するために電気弾性基板を提供するステップと、
    前記電気弾性基板の表面に共鳴装置アセンブリを提供するステップであって、前記共鳴装置アセンブリは、電磁波を前記電磁波の周波数に対応している機械的振動に変換する磁気弾性装置を備えているステップと、
    前記電気出力の電気信号への変換のために、前記電気出力を監視するために、前記電気弾性基板の一部にて、電極アセンブリを提供するステップと、
    を含む方法。
14. 請求項１３の方法であって、前記共鳴装置アセンブリを提供するステップは、
    前記電気弾性基板に対応している材料のウエハ上にて、電磁放射又はエネルギー粒子に化学的に敏感な、レジストレイヤを設けるステップと、
    選択的な露出により、又は、露出の領域を画定するためにフォトマスクを用いることにより、前記レジストレイヤをリソグラフィ的にパターニングするステップと、
    溶液に前記ウエハを沈めることにより露出されたレジストを取り除くステップ、又は、溶液に前記ウエハを沈めることにより露出されていないレジスト取り除くステップと、
    存在しているレイヤをエッチングすることによる、又は、材料の配置による、電磁弾性材料の画定ステップと、
    前記ウエハから前記レジストを取り除くステップと、を含む、
    方法。
15. 請求項１３の方法であって、前記電極アセンブリを提供するステップは、
    前記電気弾性基板に対応している材料のウエハ上にて、電磁放射又はエネルギー粒子に化学的に敏感な、レジストレイヤを設けるステップと、
    選択的な露出により、又は、露出の領域を画定するためにフォトマスクを用いることにより、前記レジストレイヤをリソグラフィ的にパターニングするステップと、
    溶液に前記ウエハを沈めることにより露出されたレジストを取り除くステップ、又は、溶液に前記ウエハを沈めることにより露出されていないレジスト取り除くステップと、
    存在しているレイヤをエッチングすることによる、又は、材料の配置による、電極材料の画定ステップと、
    前記ウエハから前記レジストを取り除くステップと、を含む、
    方法。
16. 請求項１３の方法であって、前記電気弾性基板を提供するステップ、前記共鳴装置アセンブリを提供するステップ、及び前記電極アセンブリを提供するステップは、製造前に各構造のために生成された対応しているモデルに基づいて製造される、
    方法。
17. 請求項１６の方法であって、前記対応しているモデルは、最適変数または変数に対して生成及び最適化される、
    方法。
18. 請求項１７の方法であって、前記最適変数は、前記電極アセンブリの電極を横切る電圧を含む、
    方法。
19. 請求項１６の方法であって、前記対応しているモデルの各々は、有限要素モデルである、
    方法。

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