KR102109993B1 - Thz 응용들을 위한 갭 도파로 구조체 - Google Patents

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Abstract

표면들 중 하나에 텍스처 또는 다층 구조체를 사용함으로써 전도 물질의 2개의 평행 표면 사이에 좁은 갭을 갖는 마이크로파/밀리미터 디바이스가 개시된다. 필드들은 주로 갭 내부에 제공되고, 텍스처 또는 층 구조체 그 자체에는 제공되지 않으므로, 손실들이 작다. 마이크로파/밀리미터파 디바이스는 2개의 표면 중 하나에 금속화된 리지 또는 그루브, 또는 2개의 표면 사이의 다층 구조체에 위치되는 금속 스트립과 같은 하나 이상의 전도 요소들을 더 포함한다. 파형들은 전도 요소들을 따라 전파한다. 파형들이 리지, 그루브 또는 스트립을 따라서보다는 그것들 사이의 다른 방향들로 전파하지 못하게 하는 수단이 표면들 중 적어도 하나에 구비된다. 매우 높은 주파수에서, 갭 도파로들 및 갭 라인들은 IC 패키지 내부 또는 칩 그 자체 내부에서 실현될 수 있다. 예를 들어, 드릴링, 밀링 및 소잉이지만 이에 제한되지 않는 통상적 기계 가공은 100㎓와 10㎔ 사이의 디바이스들의 요구되는 정확성을 갖는 구조체들을 한정할 수 없다. 요구되는 고정확성을 획득하기 위해, 딥 반응성 에칭과 같은 미세 시스템 제조 방법들은 높은 정확성을 갖는 구조체들을 한정하는데 사용될 수 있다. 사출 성형 또는 다른 미세 몰딩 공정과 같은 대안적인 제작 방법들이 사용될 수도 있다. 금속 층은 일부 또는 모든 표면들을 커버할 수 있다.

Description

THZ 응용들을 위한 갭 도파로 구조체{GAP WAVEGUIDE STRUCTURES FOR THZ APPLICATIONS}
본 발명은 갭 도파로 기술을 사용한 매우 높은 주파수에 대한 마이크로파/밀리미터 디바이스 및 그러한 디바이스를 생산하는 방법에 관한 것이다.
마이크로파 응용들의 경우, 입체 직사각형 도파로들 및 동축 송신 라인들이 고주파수들에서 그것들의 저손실로 인해 사용된다. 그러나, 주파수를 확장하고 물리적 피처 크기를 축소할 때, 그것들은 고주파수 시스템에 통합될 때 일부 실질적 문제들을 겪는다. 다른 도파로들이 도입되었지만 흔히 전기적 전도성 측벽들 및 양호한 정렬을 필요로 한다. 일부 구조체들이 두꺼운 벽들이 필요하지 않더라도, 그것들은 별도로 제조된 부분들 사이에 전기 접촉이 여전히 필요하다. 상세하게는 100㎓를 넘는 밀리미터파 주파수에서 동작하는 금속 도파로들에 대한 통상적 기계 가공 기법들은 매우 복잡하고 많은 비용이 든다. 또한, 구성 요소들로서 실현되고 2개의 블록으로 제조될 때, 고주파수에서의 저손실 및 높은 Q-값들을 달성하는 것은 어렵다. 이유는 통상적으로 열 팽창으로 인한 제조 결함들 또는 금속 변형들로 인해 비롯되는, 2개의 분할된 블록들의 작은 갭들을 통한 필드 누설 때문이다.
고주파수에서 이러한 제조 문제들을 제외하고, 고주파수에서 능동 마이크로파 전자 회로의 금속 도파로와의 통합은 매우 용이한 것은 아니며 흔히 기술자들에게 어려움을 준다. 현재의 MMICs(평면 모놀리식 마이크로파 통합 회로들)는 비평면 금속 도파로들과 비호환성이고 상이한 트랜지션들의 사용을 필요로 하며, 이는 전체 시스템에서의 더 많은 복잡성을 부가한다. 이것은 예를 들어, P.-S. Kildal, E. Alfonso, A. Valero-Nogueira, 및 E. Rajo-Iglesias "평행 금속판들 사이의 갭들로의 국부적 메타물질 기반 도파로들", IEEE AWPL(안테나들 및 무선 전파 문서들), Vol. 8:pp. 84-87, 2009에서 논의된다.
다른 한편으로, 마이크로스트립 및 동일 평면 도파로 라인들은 가장 대표적인 평면 송신 라인들이고, 이것들은 회로 보드들 상에 능동 마이크로파 구성 요소들을 통합하는 것에 매우 적절한 강건한, 저비용 해결법들이다. 그러나 이러한 라인들 둘 다는 손실되는 유전체의 존재로 인한 밀리미터파 주파수 스펙트럼의 높은 삽입 손실을 겪는다. 이것을 제외하고, 기판 모드와 원하는 모드 사이의 결합은 임계 주파수 이상으로 매우 중요하다. 따라서, 기존 송신 라인들의 많은 호의적인 특성들에도 불구하고, 밀리미터파 주파수 범위에서의 그것들의 응용들은 여전히 중요하고 문제들에 영향을 받을 수 있다.
리지(ridge) 갭 도파로로 불리는 새로운 도파로 기술은 앞서 논의된 P-S Kildal 등의 논문에서 제시되었고, 또한 미국 제 2011/0181373 A1호에 개시된다. 이러한 기술은 평행판 도파로들에서 코러게이션(corrugation)들의 리지들을 따라 나타나는 국부적 파형 현상들에 기반한다. 이것은 Valero-Nogueira, E. Alfonso, J.I. Herranz, P.-S. Kildal "단일 경질 벽 도파로들에서 국부적 준 TEM 갭 모드들의 실험적 입증", IEEE 마이크로파 및 무선 구성 요소 문서들 19 (2009) 536-538에서 또한 논의된다.
리지 갭 도파로 그 자체는 10㎓와 20㎓ 사이에서 입증되었고 통상적인 제작 방법들을 사용하여 실현되었다. 예를 들어, Valero-Nogueira, E. Alfonso, J.I. Herranz, P.-S. Kildal "단일 경질 벽 도파로들에서 국부적 준 TEM 갭 모드들의 실험적 입증", IEEE 마이크로파 및 무선 구성 요소 문서들 19 (2009) 536-538을 참조할 수 있다.
구조체는 금속 핀들의 형태로 메타물질 표면들을 사용하여 평행판 저지 대역을 생성함으로써, 핀들 사이에서의 금속 리지들로 파형을 한정한다. 예를 들어, M. Silveirinha, C. Fernandes, J. Costa, "금속 핀들에 의해 형성되는 텍스처링된(textured) 표면들의 전자기 특성화", IEEE 안테나들 및 전파 상의 트랜잭션들 56 (2008) 405-415를 참조할 수 있다. 메타물질들은 자연에서 찾을 수 없는 특성들을 갖도록 제작되는 인공 물질들이다. 메타물질들은 통상적으로 효과적인 거시적 작용을 생성하기 위해 작은 불균일을 사용하여 조성물보다는 오히려 구조체로부터 그것들의 특성들을 얻는다. 전기적 전도 측벽들 또는 2개의 평행 금속판들 사이가 정확히 정렬되어야 할 필요는 없다. 저지 대역은 핀들과 다른 주기적 구조체들을 사용하여 설계될 수도 있다. 예를 들어, E. Rajo-Iglesias, P.-S. Kildal, "갭 도파로들에서 사용되는 네일들의 베드, 코러게이션들 및 머쉬룸(mushroom) 타입 EBG에 의해 실현되는 평행판 컷오프의 대역폭의 수치적 연구들", IET 마이크로파들, 안테나들 & 전파 5 (2011) 282-289를 참조할 수 있다.
새롭게 제안된 갭 도파로 기술의 초기 연구는 이러한 새로운 기술이 마이크로스트립 라인들 또는 동일 평면 도파로들보다 훨씬 더 낮은 손실을 갖고 또한 통상적 금속 도파로들보다 제조하기에 훨씬 보다 융통성 있고 용이함을 보여준다. 이러한 갭 도파로 기술에 기반한 새롭게 제안된 마이크로파 해결법은 따라서 저손실 및 제조 융통성의 2개의 상반되는 기준 사이에 매우 양호한 상호 절충을 부여한다. 또한, 이러한 갭 도파로는 상당한 대역폭에 걸쳐 마이크로스트립 회로 내에서 캐비티 모드들 및 원하지 않는 전파를 억제하는 특성을 갖고 패키징 해결법으로서 제안된다. 예를 들어, E. Rajo-Iglesias, A. Uz Zaman, P.-S. Kildal, "네일들의 리드(lid)를 사용한 마이크로스트립 회로 패키지들에서의 평행판 캐비티 모드 억제", IEEE 마이크로파 및 무선 구성 요소 문서들 20 (2009) 31-33 및 A. Uz Zaman, J. Yang, P.-S. Kildal, "무선 망원경 응용들에 대해 11개의 안테나의 포트들을 디스크램블링(descrambling)하기 위해 마이크로스트립 보드의 패키징에 대한 핀들의 리드를 사용하는 것", IEEE 안테나들 및 전파 협회 국제 심포지움, 2010, pp. 1-4을 참조할 수 있다.
조립에 있어서 직사각형 도파로들보다 이점이 있음에도 불구하고, 이러한 도파로들은 핀들의 작은 치수들로 인해 100㎓를 넘는 주파수를 위해 생산하는 것이 매우 도전적이다.
그러므로 앞서 논의된 타입의 마이크로파/밀리미터파 디바이스들에 대한 개선되고/되거나 보다 비용 효율적인 제조 방법이 요구된다.
본 발명의 목적은 앞서 논의된 타입의 개선되고/되거나 보다 비용 효율적인 마이크로파/밀리미터파 디바이스들, 및 그러한 디바이스들에 대한 제조 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 첨부된 청구항들에서 정의되는 바에 따른 방법 및 마이크로파/밀리미터파 디바이스에 의해 달성된다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 전자기파 디바이스의 전체 또는 일부, 전자기파 디바이스의 차폐물, 또는 전자기파 디바이스의 패키지와 같은 마이크로파/밀리미터파 디바이스의 제작을 위한 확장 가능 생산 방법으로서, 상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스는 1㎓와 100㎔ 사이의 주파수 범위의 전체 범위 또는 하나 이상의 부분 범위의 주파수에서 동작하고, 상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스의 표면 상에 메타물질을 제공하는 단계를 포함하는 마이크로파/밀리미터파 디바이스의 제작을 위한 확장 가능 생산 방법이 제공된다.
메타물질들은 이러한 맥락에서 부파장 크기들의 구조적 요소들 즉, 그것들이 영향을 미치는 파형들의 파장보다 더 작은 피처들을 포함함으로써 정확한 형상, 기하학적 구조, 크기 및 배향과 같은, 조성물로부터 획득되는 특성들을 갖도록 준 주기적 패턴, 그리고 바람직하게는 주기적 패턴으로 제작되는 물질로서 일반적으로 이해되어야 한다. 메타물질은 바람직하게는 동작 주파수 대역 내에서 PMC(완전 자기 전도체)로서의 역할을 하여, 갭 내부로의 파형 전파를 중단시키는 저지 대역으로서 기능한다. 메타물질은 바람직하게는 포스트들, 네일들, 필라(pillar)들, 패치들 형태 또는 표면에서 준 주기적이거나 주기적 패턴으로 확장되는 다른 형태로 제공된다. 특히 바람직한 설계는, 머쉬룸 형상 또는 역피라미드 형상을 갖는 즉, 표면과 연결되거나 통합되는 단부에서 더 작은 횡단면 치수, 및 반대 단부에서 더 큰 횡단면 치수를 갖는 필라들/포스트들이다.
본 출원의 맥락에서, 용어 "마이크로파/밀리미터파 디바이스"는 특히 디바이스 또는 그것의 기계적 상세들의 치수들이 파장과 같은 규모인 고주파수들에서 전자기파들의 전파를 송신하고, 전달하고, 안내하고 제어할 수 있는, 도파로들, 송신 라인들, 도파로 회로들 또는 송신 라인 회로들과 같은 임의의 타입의 디바이스 및 구조체를 명명하는데 사용된다. 하기에서, 본 발명은 도파로들, 송신 라인들, 도파로 회로들 또는 송신 라인 회로들과 같은 다양한 실시예들에 관하여 논의될 것이다. 그러나, 이러한 실시예들 중 임의의 것에 관하여 논의되는 특정 유리한 특징들 및 이점들이 또한 다른 실시예들에 적용 가능하다는 점이 당업자에 의해 이해되어야 한다.
미세 기계 가공의 사용에 의해, 리지 갭 도파로들 및 다른 리지 갭 디바이스들과 같은 이러한 타입의 디바이스들의 제작은 1㎓를 넘고, 바람직하게는 100㎓를 넘고, 심지어 보다 바람직하게는 1㎔를 넘는 범위들에 대해 비용 효율적으로 그리고 확장 가능 생산으로 생산하는 것이 가능해진다. 이것은 다양한 응용들에 대한 ㎔ 파형들의 효율적인 사용을 가능하게 한다. 예를 들어, ㎔ 파형들은 분자 검출 등에 사용 가능하다.
마이크로파/밀리미터 디바이스는 바람직하게는 표면들 중 하나에 텍스처 또는 다층 구조체를 사용함으로써 전도 물질의 2개의 평행 표면 사이에 좁은 갭을 갖는다. 필드들은 주로 갭 내부에 제공되고, 텍스처 또는 층 구조체 그 자체에는 제공되지 않으므로, 손실들이 작다. 마이크로파/밀리미터파 디바이스는 2개의 표면 중 하나에 금속화된 리지 또는 그루브, 또는 2개의 표면 사이의 다층 구조체에 위치되는 금속 스트립과 같은 하나 이상의 전도 요소들을 더 포함한다. 파형들은 전도 요소들을 따라 전파한다. 파형들이 리지, 그루브 또는 스트립을 따라서보다는 그것들 사이의 다른 방향들로 전파될 경우 이를 방지하도록 하는 수단이, 표면들 중 적어도 하나에 구비된다. 매우 높은 주파수에서, 갭 도파로들 및 갭 라인들은 IC 패키지 내부 또는 칩 그 자체 내부에서 실현될 수 있다.
앞서 논의된 바와 같이, 예를 들어, 드릴링, 밀링 및 소잉(sawing)이지만 이에 제한되지 않는 통상적인 기계 가공은 1㎓와 100㎔ 사이의 범위, 특히 100㎓와 10㎔ 사이의 범위에서와 같이 1㎓를 넘는, 특히 100㎓를 넘는 디바이스들의 요구되는 정확성을 갖는 구조체들을 한정할 수 없다.
요구되는 높은 정확성을 획득하기 위해, 딥 반응성 에칭과 같은 미세 시스템 제조 방법들이 높은 정확성을 갖는 구조체들을 한정하는데 비용 효율적으로 사용될 수 있다는 것을 본 발명자들에 의해 알게 되었다. 사출 성형 또는 다른 미세 몰딩 공정과 같은 대안적인 제작 방법들이 사용될 수도 있다. 금속층이 효율적으로 그리고 매우 양호한 결과를 갖고 비전도 및 반전도 표면들을 커버할 수 있다는 것을 또한 알게 되었다.
마이크로파/밀리미터파 디바이스는 바람직하게는 미국 제 2011/0181373호에 개시된 갭 도파로 기술에 기반하며, 상기 문서가 이로써 그 전체가 참조로 포함된다.
상세하게는, 마이크로파/밀리미터파 디바이스는 바람직하게는 2개의 대향하는 표면들 사이에 좁은 갭을 형성하도록 배열되는 전도 물질의 2개의 대향하는 표면들을 포함하고, 표면 상에 제공되는 전도 리지, 표면 상에 제공되는 전도 벽들을 갖는 그루브 또는 표면의 다층 구조체 내에 배열되는 전도 스트립과 같은 적어도 하나의 전도 요소가 표면들 중 적어도 하나에 구비되고, 표면들 중 적어도 하나는 메타물질을 포함함으로써, 상기 전도 요소를 따라서보다는 갭 내부의 다른 방향들로의 파형 전파를 중단시킨다.
도파로는 표면들 중 하나 그리고 다른 표면에서의 금속 리지(리지 갭 도파로) 또는 그루브(그루브 갭 도파로)에 의해 한정되고, 송신 라인은 표면들 중 하나 그리고 2개의 표면들 사이의 갭 내부에 위치되는 금속 스트립(마이크로스트립 갭 라인)에 의해 한정된다. 파형들은 각각 리지, 그루브 및 스트립을 따라 전파한다. 2개의 금속 표면 사이에 어떤 금속 연결도 필요하지 않다. 예를 들어, 금속 표면 그 자체에 텍스처 또는 구조체 또는 다층 구조체에 주기적 금속 층을 사용함으로써 파형들이 리지, 그루브 또는 스트립을 따라서보다는 그것들 사이의 다른 방향들로 전파될 경우 이를 방지하도록 메타물질과 같은 수단이 표면들 중 적어도 하나에 구비된다. 텍스처 또는 구조체는 흔히 주기적이거나 준 주기적이고 그것들이 AMC(인공 자기 전도체), EBG(전자기 밴드갭) 표면들 또는 연성 표면으로서 거시적으로 작용하는 방식으로 파형들과 상호 작용하도록 설계될 것이다. 2개의 금속 표면 중 적어도 하나의 림을 따라 고체 금속 벽이 있을 수 있다. 이러한 벽은 표면들이 그것들 사이에 양호하게 한정된 작은 갭을 갖고 서로에 대하여 안정된 위치를 유지하는데 사용될 수 있다. 이러한 벽은 성능에 영향을 주지 않고 회로들에 매우 근접하게 위치될 수 있고, 그것은 심지어 능동 통합 회로들의 통합을 위해 양호한 패키징 해결법을 제공할 것이다. 매우 높은 주파수에서, 갭 도파로들 및 갭 라인들은 IC 패키지 내부 또는 칩 그 자체 내부에서 실현될 수 있다.
본 발명의 기본 기하학적 구조는 2개의 평행 전도 표면을 포함한다. 이러한 표면들은 2개의 금속 벌크의 표면들일 수 있지만, 그것들은 금속화된 표면을 갖는 다른 타입들의 물질들로 구성될 수도 있다. 그것들은 양호한 전기 전도율을 갖는 다른 물질들로 구성될 수도 있다. 2개의 표면은 평면이거나 곡선형일 수 있지만, 그것들은 둘 다의 경우에서 매우 작은 거리인, 갭만큼 분리되고, 송신 라인 회로들 및 도파로 회로들은 2개의 표면들 사이의 이러한 갭 내부에 형성된다. 갭은 통상적으로 공기로 채워지지만, 그것은 완전히 또는 부분적으로 유전체 충전될 수도 있고, 그것의 크기는 통상적으로 사실상 0.25 파장들보다 더 작다.
이러한 텍스처 또는 다층 구조체에 의해, 바람직하게는 메타물질의 형태로, 파형이 갭 내부의 송신 라인들 또는 도파로들 같이 나타나는 특정 경로들, 즉 갭 송신 라인들 및 갭 도파로들을 뒤따르도록 2개의 표면 사이의 갭에서 파형 전파를 제어하는 것이 가능하다. 상이한 길이들, 방향들 및 특성 임피던스들의 갭 도파로들 (또는 송신 라인들)을 함께 연결하거나 통합함으로써, 그리고 평행 갭 도파로들 (또는 송신 라인들) 사이의 결합을 제어함으로써, 도파로 (또는 송신 라인) 회로들이 통상적 마이크로스트립 라인들 및 원주형, 직사각형 또는 동축 도파로들로 실현되는 방법과 유사한 방식으로 2개의 평행 전도 표면 사이에 도파로 (또는 송신 라인) 구성 요소들을 실현하고 도파로 (또는 송신 라인) 회로들을 완료하는 것이 가능하다.
상기 방법에서, 마이크로파/밀리미터파 디바이스의 상기 표면 상에 상기 메타물질을 제공하는 단계는 실리콘 미세 제작 방법을 포함할 수 있다. 실리콘 미세 제작 방법은 바람직하게는 딥 반응성 이온 에칭이다.
마이크로파/밀리미터파 디바이스의 상기 표면 상에 상기 메타물질을 제공하는 단계는 카본 나노파이버들 또는 카본 나노튜브들의 사용을 부가적으로 또는 대안적으로 포함할 수 있다.
마이크로파/밀리미터파 디바이스의 상기 표면 상에 상기 메타물질을 제공하는 단계는 고분해능 구조체를 제작하기 위해 적어도 하나의 폴리머의 사용 및 이에 뒤따른 고분해능 구조체를 금속화하는 단계를 부가적으로 또는 대안적으로 포함할 수 있다. 적어도 하나의 폴리머는 SU-8과 같은 패턴화된 감광성 고종횡비 폴리머를 포함할 수 있다. 게다가, 상기 적어도 하나의 폴리머들 중 적어도 하나는 유리하게는 사출 성형과 같은 미세 몰딩 공정, 및 핫 엠보싱(hot embossing) 중 적어도 하나에 의해 형성될 수 있다.
금속화는 바람직하게는 스퍼터링, 증발 및 화학 기상 증착 중 적어도 하나에 의해 적용된다. 금속화는 전기 도금 및 무전해 도금 중 적어도 하나에 의해 이후에 개선될 수 있다.
마이크로파/밀리미터파 디바이스의 상기 표면 상에 상기 메타물질을 제공하는 단계는 리소그래피, 전기 도금 및 몰딩, LIGA 공정을 포함할 수도 있다.
게다가, 마이크로파/밀리미터파 디바이스의 상기 표면 상에 상기 메타물질을 제공하는 단계는 Al의 0.5㎛ 층과 같은 표면에 금속층을 스퍼터링하는 단계, 그 위에 포토레지스트층을 스피닝하는 단계, 포토레지스트층을 현상하는 단계, 예를 들어, 딥 반응성 이온 에칭을 사용하여 노출된 금속을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다. Al 및 남은 레지스트가 스트립된 후에, 상기 방법은 금을 시드층으로 스퍼터링하는 단계 및 전기 도금하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스의 적어도 하나의 부분은 인쇄회로기판 기술, 금속 기계 가공 또는 금속화된 비금속들과 같은 통상적 기계 가공 기술들 및 재료들을 사용하여 제작될 수 있다.
게다가, 상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스의 적어도 하나의 부분은 금속들 또는 다른 전도 물질 또는 금속화된 비금속들의 자유 형성화 또는 3D 형성화를 사용하여 제작될 수 있다. 금속화는 스퍼터링, 증발 및 화학 기상 증착 중 적어도 하나에 의해 적용될 수 있다. 금속화는 전기 도금 또는 무전해 도금에 의해 더 개선될 수 있다.
메타물질은 바람직하게는 일정 주파수 범위에서 완전 자기 전도체로서의 역할을 한다.
바람직하게는, 마이크로파/밀리미터파 디바이스의 하나의 제작된 부분이 리드이다. 리드는 이로써 예를 들어, 상기 메타물질을 포함하는 제2 부분 위에 배열 가능하다. 리드는 바람직하게는 외부 림 주변의 다른 부분에 연결된다. 연결은 바람직하게는 실리콘 융합 접합, 공융 접합, 양극 접합 및 접착제 접합 중 적어도 하나의 수단에 의해 형성된다.
메타물질은 상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스에서의 플랜지 상에 형성될 수 있어, 다른 디바이스들 등에의 개선된 연결 가능성을 제공한다.
바람직하게는, 마이크로파/밀리미터파 디바이스는 도파로, 송신 라인, 도파로 회로, 송신 라인 회로, 공진기/필터, 예를 들어, 직사각형 도파로들에 연결시키기 위한 플랜지, 스플리터, 차폐물 및 패키징 중 적어도 하나이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전자기파 디바이스, 전자기파 디바이스들의 차폐물 또는 전자기파 디바이스들의 패키지와 같은 마이크로파/밀리미터파 디바이스로서, 상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스는 1㎓와 100㎔ 사이의 주파수 범위의 전체 범위 또는 하나 이상의 부분 범위의 주파수에서 동작하고, 마이크로파/밀리미터파 디바이스는 그것의 적어도 하나의 표면 상에 배열되는 메타물질을 포함하며, 상기 메타물질에는 머쉬룸 형상 또는 역피라미드 형상의 필라들에 기반하는 마이크로파/밀리미터파 디바이스가 제공된다.
이로써, 제1 실시예에 관하여 앞서 논의된 바와 같은 유사 이점들 및 특정 특징들을 얻을 수 있고 실현 가능하다.
메타물질은 바람직하게는 동작 주파수 범위에서 완전 자기 전도체로서의 역할을 한다.
앞서 논의된 바와 같이, 마이크로파/밀리미터파 디바이스는 바람직하게는 미국 제 2011/0181373호에 개시된 갭 도파로 기술에 기반하며, 상기 문서가 이로써 그 전체가 참조로 포함된다. 특히, 마이크로파/밀리미터파 디바이스는 바람직하게는 2개의 대향하는 표면들 사이에 좁은 갭을 형성하도록 배열되는 전도 물질의 2개의 대향하는 표면들을 포함하고, 표면 상에 제공되는 전도 리지, 표면 상에 제공되는 전도 벽들을 갖는 그루브 또는 표면의 다층 구조체 내에 배열되는 전도 스트립과 같은 적어도 하나의 전도 요소가 표면들 중 적어도 하나에 구비되고, 표면들 중 적어도 하나는 메타물질을 포함함으로써, 상기 전도 요소를 따라서보다는 갭 내부의 다른 방향들로의 파형 전파를 중단시킨다.
메타물질은 상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스의 플랜지 상에 제공될 수 있다. 그러한 플랜지들에 의해, 연결의 지점으로부터 방사와 관련되는 문제들을 제거하거나 적어도 강하게 감소시키는 상이한 수동 및 능동 고주파 회로들의 도파로들 또는 송신 라인들을 함께 연결하고, 원하지 않는 외부 필드들이 도파로 또는 송신 라인들로 진입하는 것을 회피하기 위해 차폐하고, 및 2개의 대향하는 송신 라인들 또는 도파로들의 특성 임피던스를 정합시키는 방식이 제공된다. 게다가, 연결은 특히 그러한 플랜지들 사이의 어떤 금속 연결도 송신 목적으로 필요하지 않으므로, 내성들에 덜 민감해진다. 플랜지들은 바람직하게는 도파로들의 단부들로부터 확장해나가도록 배열된다.
바람직하게는, 마이크로파/밀리미터파 디바이스는 도파로, 송신 라인, 도파로 회로, 송신 라인 회로, 공진기/필터, 예를 들어, 직사각형 도파로들에 연결시키기 위한 플랜지, 스플리터, 차폐물 및 패키징 중 적어도 하나이다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전자기파 디바이스들에 사용되는 메타물질을 포함하는 플랜지가 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 표면 상에 배열되는 메타물질을 갖는 전자기파 디바이스가 제공되며, 상기 메타물질이 임의의 형상의 필라들, 패치들 또는 다른 형태들을 포함한다.
이로써, 제1 실시예에 관하여 앞서 논의된 바와 같은 유사 이점들 및 특정 특징들이 얻을 수 있고 실현 가능하다.
본 발명의 추가의 이점들 및 특징들은 특정 실시예들의 이하의 상세 설명으로부터 명백해 질 것이다.
본 발명은 실시예들에 의해 그리고 첨부 도면들을 참조하여 이제 보다 상세히 논의될 것이다:
도 1은 본 발명의 일 실시예인 구성 요소의 일 예로서 양방향 전력 분할기 또는 결합기를 도시한다. 구성 요소는 금속 표면들 사이에 리지 갭 도파로들을 사용함으로써 실현된다. 상부 금속 표면은 하부 표면 상의 텍스처를 드러내는 상승된 위치에 도시된다.
도 2a 및 도 2b는 사시도(2a) 및 횡단면도(2b) 둘 다에서의 본 발명의 일 실시예에 따른 리지 갭 도파로에서 90도 벤드의 입력 라인에 따른 절단을 도시한다.
도 3, 도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 그루브 갭 도파로들의 3가지 예들의 횡단면들을 도시한다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 일 실시예인 제작 공정의 일 예로서 공정 플랜에서의 다양한 단계들을 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 예시적인 실시예들을 도시하며, 여기서 도 7a는 리지 갭 도파로이고 도 7b는 리지 갭 공진기이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 행해지는 예시적인 공진기의 측정 및 시뮬레이션의 결과들을 도시하는 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉식 핀 플랜지 어댑터의 예시들이다. 도 9는 핀 플랜지 표면의 설계이고, 도 10은 핀 플랜지 어댑터 원형이다.
도 11은 제안된 공정에 의해 수행되고 본 발명의 일 실시예에 따라 형성되는 미세 기계 가공된 필라들의 SEM 사진이다.
이하에서, 본 발명은 이러한 타입들의 실시예들에 관하여 논의될 것이고, 이러한 실시예들 중 임의의 것에 관하여 논의되는 특정 유리한 특징들 및 이점들이 또한 다른 실시예들에 적용 가능하다는 점이 당업자에 의해 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 구성 요소의 일 예로서 양방향 전력 분할기 또는 결합기를 도시한다. 상부(1) 및 하부(2) 전도 표면들을 제공하는 2개의 금속화된 부분이 있다. 상부 표면은 매끄럽지만, 하부 표면은 구조화된다. 메타물질을 형성하는 구조체/텍스처 주변에, 상부 표면이 고정될 수 있는 주변 림(3), 및 림보다 더 낮은 영역이 있고 그것에 의해 상부 표면이 장착될 때 상부 표면과 하부 표면 사이에 갭(4)을 제공한다. 금속화된 리지(5)는 2개의 아암 분기점을 형성하고 있고, 리지 주위에 리지(5)를 따른 원하는 파형들을 제외하고 하부 표면과 상부 표면 사이에서 전파하는 모든 파형들에 대한 컷오프 조건들을 제공하는 금속화된 포스트들(6)이 있다. 여기서, 금속화된 포스트들은 전술한 것에서 논의된 바와 같이 메타물질을 형성한다. 동작 주파수 대역 내에서 PMC(완전 자기 전도체)와 유사한 포스트들이 작동한다. 상부 금속 부분을 하부 금속 부분의 금속 림(3)에 고정시키는데 사용되는 상부 금속 부분에 스크류 홀들(8)이 있고, 이러한 림에는 부합 스크류 홀들(7)이 있다. 장착이 스크류들로 나타내어지지만, 실리콘 융합 접합, 공융 접합, 양극 접합, 접착제 접합과 같은 미세 기계적 제작에서 보다 통상적인 다른 방법들이 사용될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 90도 벤드에 접근하는 파형들이 계속해서 곧바로 앞으로 전파하는 것을 중단시키기 위해 파형 중단 표면이 어떻게 위치되는지를 도시한다. 파형들은 전파 방향을 가리키는 파형의 화살표들로 나타내어진다. 화살표들의 길이들은 상이한 파형들의 진폭들을 나타낸다. 접근하는 파형은 대신에 반사되거나(원하지 않음) 좌측으로 턴할 수 있다(원함). 파형의 원하는 턴은 도시된 바와 같이 벤드의 코너를 적절하게 절단함으로써 달성될 수 있다.
도 3, 도 4 및 도 5는 상이한 그루브 갭 도파로들을 도시하지만, 그것은 상부 표면에 있을 수도 있거나, 표면들 둘 다에 2개의 대향하는 그루브가 있을 수 있다. 그루브(20)는 하부 표면에 제공된다. 그루브는 그루브의 상단 표면에서 하단까지의 거리가 도 3에서의 0.5 파장들, 그리고 도 4에서의 0.25 파장들보다 통상적으로 더 크다면, 도 3 및 도 4의 수평으로 편광된 파형을 지지한다. 도 5의 그루브는 그루브의 폭이 0.5 파장보다 더 클 때, 수직으로 편광된 파형을 지지한다. 단일 모드 전파를 보장하기 위해, 도 3 및 도 4의 그루브들의 폭들은 바람직하게는 0.5 파장들보다 더 좁을 것이고, 도 5의 그루브의 하단에서 상부 표면까지의 거리는 바람직하게는 실제로 0.5 파장들보다 더 작을 것이다(갭 크기에 따라 훨씬 더 작을 수 있음). 도 3 및 도 5의 하부 표면들, 그리고 도 4의 상부 표면은 파형 중단 표면(14)이 구비된다. 파형 중단 표면은 파형이 그루브(20) 외로 누설되는 것을 방지하는 임의의 실현화를 가질 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예인 제작 공정의 일 예로서 공정 플랜에서의 다양한 순차적 단계들을 도시한다. (a)에 도시되는 제1 단계에서, Al의 0.5 ㎛ 층이 표면 위에 스퍼터링된다. (b)에 도시되는 제2 단계에서, 얇은 포토레지스트층이 Al층에 스피닝된다. (c)에 도시되는 제3 단계에서, 포토레지스트가 현상되고 노출된 Al이 에칭된다. (d)에 도시되는 제4 단계에서, 딥 반응성 이온 에칭이 Al 및 남은 레지스트가 스트립된 후에, 필라들을 한정하는데 사용된다. (e)에 도시되는 최종 단계에서, 금이 스퍼터링되고(시드층) 전기 도금된다.
실험적 확인으로서, 220 내지 325㎓에 대한 예시적인 미세 기계 가공된 리지 갭 도파로 및 공진기가 이제 보다 상세히 논의될 것이다. 전술한 것에서 논의된 바와 같이, 리지 갭 도파로는 분할된 블록들 사이에 임의의 전기 접촉을 필요로 하지 않고, 직사각형 도파로와 비교하여 그것에 이점을 부여하는 근본적으로 새로운 고주파수 도파로이며, 이 리지 갭 도파로가 오늘날 표준이다. 직사각형 도파로들은 흔히 밀링에 의해 제작된다. 그러나, 100㎓를 넘는 도파로들을 구성할 때 문제들이 있다. 이미 논의된 바와 같이, MEMS 기술이 고정확성 제작을 제공할 수 있고 따라서 새로운 타입들의 고주파수 성분들에 대한 경로를 가능하게 한다는 것을 이제 알게 되었다.
여기서 (또한 미세-전자-기계, 미세 전자적 기계 또는 미세 전자 및 미세 전자 기계적 시스템들로 기록되는) "미세 전자 기계 시스템들"과 관련되는 MEMS는 매우 작은 디바이스들의 기술이며; 그것은 나노 규모에서 NEMS(나노 전자 기계 시스템들) 및 나노기술에 융합된다. MEMS는 또한 미세 기계들, 또는 미세 시스템 기술 - MST로 지칭된다. MEMS는 크기가 1 내지 100 마이크로미터 (즉, 0.001 내지 0.1㎜) 사이의 구성 요소들로 통상적으로 구성되고, MEMS 디바이스들은 일반적으로 20 마이크로미터에서 (1 미터의 백만분의 20) 수 밀리미터까지 (즉 0.02 내지 10㎜)의 크기에 이른다.
하기에 논의될 예에서, 리지 갭 도파로 및 리지 갭 공진기는 MEMS 기술을 사용하여 주파수들 220 내지325㎓에 대해 제작되었다. 지원 패키지들은 디바이스 측정들을 가능하게 하도록 설계되었다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이 굽은 라인 도파로 및 공진기를 형성하는 2개의 디바이스가 제작되었다. 도파로의 원리는 그것에 내장되는 전기적 전도성 리지를 갖고 PMC(완전 자기 전도성) 표면에 평행한 PEC(완전 전기 전도성) 표면을 갖는 것에 기반한다. PMC는 P.-S. Kildal, E. Alfonso, A. Valero-Nogueira, 및 E. Rajo-Iglesias "평행 금속판들 사이의 갭들로의 국부적 메타물질계 도파로들", IEEE AWPL(안테나들 및 무선 전파 문서들), Vol. 8:pp. 84-87, 2009에 논의되는 바와 같이, 메타물질을 형성하는 핀 표면에 의해 획득되며, 상기 문서가 이로써 그 전체가 참조로 포함된다.
파형은 핀 표면에 의해 리지로부터 멀리 전파하지 못하게 된다. 패키지들은 측정 동안 실리콘 칩을 지지하도록 밀링되었다. 패키지들은 리지 갭 도파로들에서 표준 직사각형 도파로들로의 인터페이스 및 트랜지션으로서의 역할을 한다.
시뮬레이션들은 리지 갭 도파로에 대한 반사 계수가 240과 340㎓ 사이에서 -15㏈ 미만인 것을 나타낸다. 2개의 공진 피크가, 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 각각 336 및 527의 무부하 Q-값들을 갖는 리지 갭 공진기에 대해 주파수들 234㎓ 및 284㎓에서 측정되었다. 리지 갭 도파로 및 공진기 둘 다는 전기 접촉에서의 엄격한 필요 조건 없이 직사각형 도파로와 유사한 성능들을 획득할 가능성을 가져, 간략화된 제작 및 조립 기법을 가능하게 한다.
다른 예에서, 갭 도파로 기술에 기반한 비접촉식 핀 플랜지 어댑터는, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 고주파수 측정들을 위해 고려된다. 여기서, 도 9는 핀 플랜지 표면의 설계를 나타내고, 도 10은 핀 플랜지 어댑터 원형을 나타낸다. 통상적으로 표준(WR) 플랜지들이 사용되고, 이것들은 양호한 전기 접촉을 필요로 하고 작은 갭들에 민감하다. 핀 플랜지 어댑터는 주파수 범위 220 내지 325㎓에 대해 제작되고 입증되었고 전기 접촉을 필요로 하지 않고 표준 플랜지 또는 초우크 플랜지와 유사하거나 이들보다 더 양호한 결과들을 여전히 나타낼 것이다.
도 11은 여기서 포스트들/필라들의 형태로 앞서 논의된 방법들에 의해 획득 가능한 메타물질의 유리한 기하학적 구조 및 형상을 도시한다. 이러한 SEM 사진에서 분명히 알 수 있는 바와 같이, 머쉬룸 형상들 또는 역피라미드 형상화된 포스트들/필라들이 획득되며, 즉, 포스트들/필라들이 표면과 연결되거나 통합되는 단부에서 더 작은 횡단면 치수, 및 반대 단부에서 더 큰 횡단면 치수를 갖는다.
본 발명은 여기에 도시된 실시예들에 제한되지 않는다. 특히, 마이크로파/밀리미터파 디바이스는 앞서 논의된 것들에 더하여 많은 타입들의 고주파수 디바이스들에 대해 사용 가능하다. 게다가, 포스트들, 필라들, 패치들, 네일들 등과 같은, 그리고 상이한 기하학적 구조, 형상들 등을 갖는 메타물질의 상이한 실현들이 가능하다. 게다가, 메타물질은 2개의 표면 중 하나에 또는 표면들 둘 다에도 배열될 수 있다. 게다가, 2개의 표면은 다양한 방식들로 연결될 수 있고, 캐비티는 폐쇄될 필요가 없고 하나의 또는 수개의 측부들에서 개방될 수 있다. 게다가, 전도 표면들은 서로에 기계적으로 고정될 필요가 없고, 또한 앞서 논의된 예들을 제외하고 기계적 상호 연결을 위한 많은 대안적인 선택들이 실현 가능하다. 또한 게다가, 다른 타입들의 MEMS 및 미세 기계 가공이 앞서 논의된 것들과 유사한 결과들을 획득하기 위해 사용 가능하다. 그러한 변경들 및 다른 관련된 변경들은 그것이 첨부된 청구항들에서 한정되는 바에 따라 특허 범위 내에 있는 것으로 고려되어야 한다.

Claims (30)

  1. 전자기파 디바이스의 전체 또는 일부, 전자기파 디바이스의 차폐물, 또는 전자기파 디바이스의 패키지를 포함하는 마이크로파/밀리미터파 디바이스의 제작을 위한 확장 가능 생산 방법으로서, 상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스는 1㎓와 100㎔ 사이의 주파수 범위의 전체 범위 또는 하나 이상의 부분 범위의 주파수에서 동작하고, 상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스의 표면 상에 메타물질을 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 메타물질은 포스트들, 네일들, 필라들, 패치들의 형태, 표면에서 준 주기적 또는 주기적 패턴으로 확장되는 형태 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 메타물질은 상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스에서의 플랜지 상에 형성되는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스는 2개의 대향하는 표면들 사이에 좁은 갭을 형성하도록 배열되는 전도 물질의 2개의 대향하는 표면들을 포함하고, 상기 표면 상에 제공되는 전도 리지, 상기 표면 상에 제공되는 전도 벽들을 갖는 그루브 또는 상기 표면의 다층 구조체 내에 배열되는 전도 스트립과 같은 하나 이상의 전도 요소가 상기 표면들 중 하나 이상에 구비되고, 상기 표면들 중 하나 이상은 상기 메타물질을 포함함으로써, 상기 전도 요소를 따라서보다는 상기 갭 내부의 다른 방향들로의 파형 전파를 중단시키는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스의 상기 표면 상에 상기 메타물질을 제공하는 단계는 실리콘 미세 제작 방법을 포함하는, 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 실리콘 미세 제작 방법은 딥 반응성 이온 에칭인, 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스의 상기 표면 상에 상기 메타물질을 제공하는 단계는 카본 나노파이버들 또는 카본 나노튜브들의 사용을 포함하는, 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스의 상기 표면 상에 상기 메타물질을 제공하는 단계는 고분해능 구조체를 제작하기 위해 하나 이상의 폴리머의 사용 및 이에 뒤따른 상기 고분해능 구조체의 금속화를 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하나 이상의 폴리머는 SU-8과 같은 패턴화된 감광성 고종횡비 폴리머를 포함하는, 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 하나 이상의 폴리머들 중 하나 이상은 사출 성형을 포함하는 미세 몰딩 공정, 또는 핫 엠보싱 중 하나 이상에 의해 형성되는, 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 금속화는 스퍼터링, 증발 및 화학 기상 증착 중 하나 이상에 의해 적용되는, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 금속화는 전기 도금 및 무전해 도금 중 하나 이상에 의해 이후에 개선되는, 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스의 상기 표면 상에 상기 메타물질을 제공하는 단계는 리소그래피, 전기 도금 및 몰딩, LIGA 공정을 포함하는, 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스의 상기 표면 상에 상기 메타물질을 제공하는 단계는 상기 표면에 알루미늄의 금속층을 스퍼터링하는 단계, 그 위에 포토레지스트층을 스피닝하는 단계, 상기 포토레지스트층을 현상하는 단계, 및 딥 반응성 이온 에칭을 사용하여 추가의 처리를 위해 금속층을 마스크로 사용하여 노출된 금속을 에칭하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 알루미늄 및 남은 레지스트가 스트립된 후에, 금을 시드층으로서 스퍼터링하는 단계 및 전기 도금하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스의 하나 이상의 부분은 인쇄회로기판 기술, 금속 기계 가공 또는 금속화된 비금속들과 같은 통상적 기계 가공 기술들 및 재료들을 사용하여 제작되는, 방법.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스의 하나 이상의 부분은 금속들 또는 다른 전도 물질 또는 금속화된 비금속들의 자유 형성화 또는 3D 형성화를 이용하여 제작되는, 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 금속화는 스퍼터링, 증발 및 화학 기상 증착 중 하나 이상에 의해 적용되는, 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 금속화는 전기 도금 또는 무전해 도금에 의해 개선되는, 방법.
  18. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 메타물질은 일정 주파수 범위에서 완전 자기 전도체로서의 역할을 하는, 방법.
  19. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스의 하나의 제작된 부분이 리드인, 방법.
  20. 삭제
  21. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스는 도파로, 송신 라인, 도파로 회로, 송신 라인 회로, 공진기/필터, 직사각형 도파로들을 연결시키는 플랜지, 스플리터, 차폐물 및 패키징 중 하나 이상인, 방법.
  22. 전자기파 디바이스, 전자기파 디바이스들의 차폐물 또는 전자기파 디바이스들의 패키지를 포함하는 마이크로파/밀리미터파 디바이스로서, 상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스는 1㎓와 100㎔ 사이의 주파수 범위의 전체 범위 또는 하나 이상의 부분 범위의 주파수에서 동작하고, 상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스는 그것의 하나 이상의 표면 상에 배열되는 메타물질을 포함하며, 상기 메타물질은 머쉬룸 형상 또는 역피라미드 형상의 필라들에 기반하며,
    상기 메타물질은 상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스의 플랜지 상에 제공되는, 디바이스.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 메타물질은 상기 동작 주파수 범위에서 완전 자기 전도체로서의 역할을 하는, 디바이스.
  24. 제22항 또는 제23항에 있어서,
    상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스는, 좁은 갭을 사이에 형성하도록 배열되는 전도 물질의 2개의 대향하는 표면들을 포함하고, 상기 표면 상에 제공되는 전도 리지, 상기 표면 상에 제공되는 전도 벽들을 갖는 그루브 또는 상기 표면의 다층 구조체 내에 배열되는 전도 스트립과 같은 하나 이상의 전도 요소가 상기 표면들 중 하나 이상에 구비되고, 상기 표면들 중 하나 이상은 상기 메타물질을 포함함으로써, 상기 전도 요소를 따라서보다는 상기 갭 내부의 다른 방향들로의 파형 전파를 중단시키는, 디바이스.
  25. 삭제
  26. 제22항 또는 제23항에 있어서,
    상기 마이크로파/밀리미터파 디바이스는 도파로, 송신 라인, 도파로 회로, 송신 라인 회로, 공진기/필터, 직사각형 도파로들로 연결시키기 위한 플랜지, 스플리터, 차폐물 및 패키징 중 하나 이상인, 디바이스.
  27. 삭제
  28. 표면 상에 배열되는 메타물질을 갖는 전자기파 디바이스로서, 상기 메타물질은 임의의 형상의 필라들, 패치들 또는 다른 형태들을 포함하며,
    상기 메타물질은 상기 전자기파 디바이스에서의 플랜지 상에 형성되는, 전자기파 디바이스.
  29. 전자기파 디바이스들에 사용되는 메타물질을 포함하며, 상기 메타물질은 일정 주파수 범위에 걸쳐 완전 자기 전도체로서의 역할을 하며,
    상기 메타물질은 상기 전자기파 디바이스에서의 플랜지 상에 형성되는, 디바이스.
  30. 청구항 제1항 또는 제2항에 따라 생산되는, 디바이스.
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