Lämmle, David (2017)
THz-Hohlleiter-Schalter basierend auf Nickel-Wanderkeilaktoren.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Der THz-Bereich des elektromagnetischen Spektrums birgt ein großes Potential in den unterschiedlichsten Anwendungsfeldern. Jedoch ist die Erzeugung und Detektion, aber auch die Wellenleitung im THz-Bereich wesentlich komplexer als in anderen Frequenzbereichen. Nur durch die Entwicklung neuer Komponenten für diese Frequenzen kann das Potential des THz-Bereichs voll ausgeschöpft werden. Beim wellenleiterbasierten integrierten Schalter handelt es sich um eine solche Komponente, die die Funktionalität von THz-Systemen erhöhen könnte. Solche Schalter können zwischen der Reflektion und Transmission einer THz-Welle umschalten und stellen somit einen Schritt in Richtung integrierter adaptiver THz-Netzwerke dar. In einer Recherche zum Stand der Technik konnte jedoch kein Bauteil dieser Art gefunden werden. Aus diesem Grund soll in dieser Arbeit die Leistungsfähigkeit von THz-Hohlleiter-Schaltern, basierend auf Nickel-Wanderkeilaktoren untersucht werden. Der Hohlleiter wird aufgrund der geringen Verluste und des Potentials zur Verwirklichung integrierter Systeme als Wellenleiter ausgewählt. Bei dem gewählten Frequenzbereich von 325 - 500 GHz ergibt sich für den Hohlleiter ein Querschnitt von 0,28 mm × 0,57 mm. Aufgrund dieser kleinen Dimensionen wird die Verwendung von mikrotechnischen Aktoren, auch im Hinblick auf Schalter für noch höhere Frequenzen als sinnvoll angesehen. Insbesondere bieten sich elektrostatische Wanderkeilaktoren wegen des großen Aktorhubs an. Sie bestehen aus einer ortsfesten Elektrode, einem Dielektrikum und einer gekrümmten flexiblen Elektrode. Legt man eine Spannung zwischen den beiden Elektroden an, rollt sich die gekrümmte Elektrode auf das Dielektrikum ab. Für Frequenzen bis 110 GHz existieren unterschiedlichste Arten von Hohlleiterschaltern. Neben halbleiterbasierten Elementen gibt es feinwerktechnische mechanische Schalter, aber auch mikrotechnische Schalter mit integrierten elektrostatischen Wanderkeilaktoren. Diese Wanderkeilaktoren werden so in den Hohlleiter integriert, dass eine gekrümmte Elektrode im Hohlleiter einen ohmschen Kontakt erzeugt, welcher bei der Aktuierung unterbrochen wird. Sind die Frequenzen der elektromagnetischen Welle klein genug, kann der integrierte Aktor als senkrechte Wand approximiert werden, woran die Welle reflektiert wird. Aufgrund der geringen Wellenlängen bei Frequenzen von über 100 GHz ändert sich jedoch die Art wie die Welle mit der gekrümmten Elektrode des Aktors interagiert. Dies wirkt sich stark auf die Isolation des Schalters aus. Des Weiteren wird im Stand der Technik ein Zusammenhang zwischen dem Kontaktwiderstand des Schalters und der Isolation angenommen. Dies bedeutet, dass für eine hohe Isolation möglichst große Kontaktkräfte am Schalter notwendig sind, jedoch ist nicht bekannt, bis zu welchem Maß diese Kräfte erhöht werden können. Die Frage nach den Grenzen von Wanderkeilaktoren für THz-Schalter in Bezug auf deren Kontaktkräfte und die Untersuchung unterschiedlicher Schalteranordnungen für die Realisierung von THz-Schaltern mit einer hohen Isolation werden aus den besagten Gründen als die zentralen Motive dieser Arbeit angesehen. Hierzu wird zuerst die Herstellung von elektrostatischen Wanderkeilaktoren untersucht. Die galvanische Fertigung von gekrümmten Nickelbalken durch die gezielte Variation der intrinsischen Spannung im Material steht bei der Herstellung im Vordergrund. Um Aktoren mit definierten Aktuierungsspannungen und Kontaktkräften realisieren zu können, ist eine detaillierte Untersuchung des Galvanikprozesses erforderlich. Für die mikrotechnische Fertigung der Aktoren sind noch weitere Schichten wie Dielektrikum, Gegenelektrode und Opferschicht notwendig. Der experimentelle Vergleich verschiedener Prozessabläufe ergab, dass sich die größte Zuverlässigkeit in der Herstellung durch die Verwendung von thermischem Oxid als Dielektrikum und Kupfer als Opferschicht erzielen lässt. Um Aktoren mit hohen Kontaktkräften bei einem definierten Aktorhub auslegen zu können, wird ein analytisches Modell eingeführt und validiert. Zusätzlich werden Versuche durchgeführt, um die Grenzen in der Herstellbarkeit unterschiedlich dimensionierter Aktoren zu erörtern. Durch die Zusammenführung dieser Erkenntnisse kann eine Aussage über die Funktionsfähigkeit einer beliebigen Aktorgeometrie in Bezug auf die Fertigung und die theoretischen Limitierungen getroffen werden. Durch die Charakterisierung von funktionsfähigen Aktoren werden die so gewonnenen Erkenntnisse validiert. Eine weitere wesentliche Komponente des Schalters ist der Hohlleiter selbst. So wird ein Hohlleitersystem benötigt, welches möglichst geringe Verluste aufweist und durch eine einfache Integration von Aktoren einen Vergleich unterschiedlicher Schaltervarianten ermöglicht. Hierfür werden verschiedene Konzepte mit mikrotechnischen und gefrästen Hohlleitern erarbeitet und miteinander verglichen. Das erfolgversprechendste Konzept beinhaltet einen gefrästen Splitblock, welcher ausgearbeitet, gefertigt und vermessen wird. Dem darauf folgenden Entwurf von THz-Schaltern liegen die zuvor gewonnenen Entwurfsgrundlagen und Konzepte zugrunde. So werden Variationen in der Geometrie mit angepassten Kontaktwiderständen durch Simulationen miteinander verglichen. Die Kontaktwiderstände lassen sich bei jeder Anordnung aus den maximal erreichbaren Kontaktkräften bestimmen. Die durchgeführten Vergleiche ergeben, dass die typischerweise für kleinere Frequenzen gewählte Anordnung mit einem Aktor, welcher senkrecht zur kurzen Seite des Hohlleiters integriert ist, nur sehr schwer herstellbar ist. Der Aktor darf, um annehmbare Isolationen zu gewährleisten, nur mit Schichtdicken kleiner 1 µm gefertigt werden, was unter Verwendung von galvanischen Prozessen nur bedingt möglich ist. Besser geeignet ist eine Schalteranordnung, welche auf einem Wanderkeilaktor basiert, der senkrecht zur langen Seite des Hohlleiters integriert wird. Diese Anordnung wird optimiert, aufgebaut und vermessen. Die Charakterisierung erfolgt zunächst an passiven integrierten Aktorstrukturen und ergibt eine mittlere Einfügungsdämpfung von 5,6 dB und eine mittlere Isolation von 21,3 dB. Auch wenn die finale Charakterisierung eines vollständigen Schalters noch aussteht, sollte man nicht vergessen, dass es sich bei diesen Ergebnissen um die ersten auf dem Gebiet der THz-Hohlleiterschalter handelt. Zusätzlich sind in den Themenfeldern der Galvanik, der Mikroaktorik und Hohlleitertechnik durch Versuche, Theorien und konzeptionelle Arbeiten Erkenntnisse gewonnen worden, die über den Stand der Technik hinausgehen. Durch die Abhängigkeit der einzelnen Bereiche zueinander ergibt sich eine Komplexität, die die Bearbeitung der einzelnen Bereiche allein weit übersteigt. Die Auseinandersetzung mit all diesen Themen führt zu den allgemeinen Grundlagen für die Auslegung von wanderkeilbasierten Hohlleiterschaltern, unabhängig von den gewählten Frequenzen und dem gewählten Design.

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