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MEMS-basierte Komponenten zur Modulation von Terahertzstrahlung in Hohlleitern

MEMS-based components for the modulation of terahertz radiation in hollow waveguides

  • Der Trend zur Miniaturisierung von elektrischen, optischen und mechanischen Systemen bleibt ungebrochen. So setzt sich diese Entwicklung gleichermaßen im Bereich von THz- Systemen fort, in dessen Zuge zusätzliche Potentiale hinsichtlich der Applikationen, des Leistungsvermögens aber auch die Reduzierung von Fertigungskosten in Aussicht gestellt werden. Dabei stellen halbleiterbasierte Wellenleitersysteme, vor allem durch ihre hohe Integrationsfähigkeit, vielversprechende Lösungen dar. Eine Funktionserweiterung derartiger Systeme lässt sich darüber hinaus durch die Integration von fundamentalen Komponenten wie aktuierbaren Wellenleiterschaltern oder auch -Kombiniern und -Splittern erreichen. In diesem Zusammenhang befasst sich diese Arbeit mit der Entwicklung und Charakterisierung von rechteckigen THz-Hohlleiterschaltern aus Silizium, welche auf neuartigen elektrostatischen Biegebalken des Fraunhofer IPMS, auch NEDs genannt, basieren. Dahinführend erfolgen theoretische Vorbetrachtungen zur Identifizierung und Evaluation vonDer Trend zur Miniaturisierung von elektrischen, optischen und mechanischen Systemen bleibt ungebrochen. So setzt sich diese Entwicklung gleichermaßen im Bereich von THz- Systemen fort, in dessen Zuge zusätzliche Potentiale hinsichtlich der Applikationen, des Leistungsvermögens aber auch die Reduzierung von Fertigungskosten in Aussicht gestellt werden. Dabei stellen halbleiterbasierte Wellenleitersysteme, vor allem durch ihre hohe Integrationsfähigkeit, vielversprechende Lösungen dar. Eine Funktionserweiterung derartiger Systeme lässt sich darüber hinaus durch die Integration von fundamentalen Komponenten wie aktuierbaren Wellenleiterschaltern oder auch -Kombiniern und -Splittern erreichen. In diesem Zusammenhang befasst sich diese Arbeit mit der Entwicklung und Charakterisierung von rechteckigen THz-Hohlleiterschaltern aus Silizium, welche auf neuartigen elektrostatischen Biegebalken des Fraunhofer IPMS, auch NEDs genannt, basieren. Dahinführend erfolgen theoretische Vorbetrachtungen zur Identifizierung und Evaluation von performanzbestimmenden Parametern. Im Anschluss werden mit Hilfe von FEM-Simulationen diverse Schalterkonzepte entwickelt und charakterisiert. Da die NED-Technologie für diese Konzepte noch in Entwicklung ist, erfolgen die experimentellen Funktionsnachweise im Rahmen eines Rapid-Prototyping-Ansatzes mit gedruckten Wellenleiterkomponenten, basierend auf dem Fertigungsverfahren der Zwei-Photonen-Lithographie. Durch die theoretischen Vorbetrachtungen kann vorausgesagt werden, dass Wellenleitersysteme aus Silizium zwingend metallisiert werden müssen und möglichst glatte Seitenwände benötigen. Zusätzlich wird der Pull-in-Effekt als Limitierung der NED-Auslenkung und des Schaltvermögens identifiziert. Anhand der FEM-Simulationen wird gezeigt, dass Schaltkonzepte, bei denen zwei NEDs den Wellenleiter längs entlang der langen Querschnittsseite schließen, am vorteilhaftesten sind. Außerdem wird nachgewiesen, dass Lücken zwischen den NEDs und den Seitenwänden parallel zur NED-Auslenkung signifikanten Einfluss auf das Dämpfungsvermögen des Schalters nehmen und damit nur Größen von wenigen Mikrometer einnehmen dürfen. Gedruckte Wellenleiter mit integrierten Biegebalkenstrukturen liefern letztlich einen experimentellen Funktionsnachweis. Statische Bauteile ohne bewegliche Strukturen und elektrostatisch aktuierbare Bauteile erlauben es dabei, die Änderung der Cutoff-Frequenz und der Dämpfung während des Schließvorganges quantitativ zu bestimmen. Die gemessene Dämpfung beträgt dabei etwa 20 dB. Folglich erlaubt die Identifizierung von diversen Limitierungen und einflussnehmenden Parametern sowie deren Abschätzung und experimentelle Funktionsnachweise, die Entwicklung eines NED-basierten Wellenleiterschalters zu fördern. Darüber hinaus zeigen die experimentellen Versuche, dass sich die Zwei-Photonen-Lithographie im hohen Maße zur Prototypen- und Kleinserienfertigung von statischen Wellenleiterkomponenten des THz- und Mikrowellenbereiches eignet.show moreshow less
  • The trend towards the miniaturization of electrical, optical and mechanical systemsremains unbroken. This development is also recognizable in the area of THz systems, which promises additional potential regarding applications, performance and even the reduction of manufacturing costs. Due to their high integration capability, especially semiconductor-based waveguide systems are promising solutions. In addition, a functional extension of such systems can be achieved by integrating fundamental components such as actuatable waveguide switches or even combiners or splitters. In this context, this thesis deals with the development and characterization of rectangular THz waveguides switches, which are made of silicon and are based on novel electrostatic bending cantilever beams of Fraunhofer IPMS, also called NEDs. Starting with theoretical preliminary studies, performance determining parameters are identified and evaluated. Subsequently, various switch concepts are developed and characterized by means of FEM simulations. As the NEDThe trend towards the miniaturization of electrical, optical and mechanical systemsremains unbroken. This development is also recognizable in the area of THz systems, which promises additional potential regarding applications, performance and even the reduction of manufacturing costs. Due to their high integration capability, especially semiconductor-based waveguide systems are promising solutions. In addition, a functional extension of such systems can be achieved by integrating fundamental components such as actuatable waveguide switches or even combiners or splitters. In this context, this thesis deals with the development and characterization of rectangular THz waveguides switches, which are made of silicon and are based on novel electrostatic bending cantilever beams of Fraunhofer IPMS, also called NEDs. Starting with theoretical preliminary studies, performance determining parameters are identified and evaluated. Subsequently, various switch concepts are developed and characterized by means of FEM simulations. As the NED technology for these concepts is still under development, the experimental proof of function is carried out using a rapid prototyping approach with printed waveguide components, based on a manufacturing process called two-photon lithography. On the basis of theoretical preliminary studies, it can be predicted that waveguide systems made of silicon must be metallized and required sidewall roughnesses as low as possible. Additionally, the pull-in effect is identified to be limiting the NED deflection and the switching capability. By means of FEM simulations, it is shown that switching concepts with two NEDs closing the waveguide longitudinally along the long cross-sectional side are particularly advantageous. It is also verified that gaps between the NEDs and the sidewalls parallel to the NED deflection have significant influence on the attenuation capability of the switch and thus only gap sizes of a few micrometers are viable. Printed waveguides with integrated bending cantilever structures ultimately furnish the proof of function. Static components without moving structures and electrostatically actuatable components allow for the quantitative determination of the change in cut-off frequency and the attenuation during the closing process. The measured attenuation is about 20 dB. Consequently, the identification of various limitations and influencing parameters, as well as their evaluation and experimental proof of function enables further progress in the development of NED-based waveguide switches. Beyond that, the experimental tests show that two-photon lithography is remarkably suitable for the fabrication of prototypes and small batches of static waveguide components in the THz and microwave range.show moreshow less

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Metadaten
Author: Tim SchulzeORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-61667
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6166
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Dr. rer. nat. Harald Schenk, Prof. Dr. rer. nat. Georg von Freymann
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2022
Date of final exam:2022/04/11
Release Date:2023/01/19
Tag:MEMS; Schneller Prototypenbau; Terahertz; Wellenleiterschalter; Zwei-Photonen-Lithographie
MEMS; Rapid prototyping; Terahertz; Two-photon lithography; Waveguide switch
GND Keyword:MEMS; Rapid Prototyping <Fertigung>; Hohlleiter
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Mikro- und Nanosysteme
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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