Verwendung von Nickel-Wanderkeilaktoren in THz-Hohlleiterschalter

Aktor-Chip für die Integration in einen THz-Hohlleiterschalter

Zusammenfassung

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) werden schon heute in vielfältiger Weise für die Beeinflussung von elektromagnetischen Wellen in unterschiedlichsten Frequenzbereichein eingesetzt. Im sichtbaren optischen Bereich existieren z.B. Faserschalter für den Bereich Telekommunikation und digitalte Spiegelarrays für Beamer im Bereich Heimkino. Im Mikrowellenbereich gibt es abstimmbare Filter und MEMS-Schalter. Im THz-Bereich (300 GHz - 3 THz) gibt es hingegen noch sehr wenige MEMS Bauteile. Im Rahmen des LOEWE Schwerpunkts "Sensors Towards THz" sollen mikrotechnische Schalter entstehen, mit denen es möglich ist THz-Wellen zu beeinflussen.

Aufgrund der geringen Verluste wurden Rechteckhohlleiter als Wellenleiter ausgewählt, in die die Integration von mikrotechnischen Schaltelementen erfolgen soll. Eine Festlegung auf das Frequenzband von 330 - 500 GHz (WR - 2.2) erfolgt aufgrund der Verfügbarkeit des notwendigen Messequipments (Vectro Network Analyzer mit Extensions Module). Als Schaltelemente sollen mikrotechnische Wanderkeilaktoren aufgrund der großen Schalthübe (über 100 µm) zum Einsatz kommen.

 

Schwerpunkte der Arbeit

  • Intrinsische Spannungen in galvanischen Nickelschichten
  • Herstellung von elektrostatischen Wanderkeilaktoren
  • Grenzen von elektrostatischen Wanderkeilaktoren
  • THz-Hohlleiter für die Integration von MEMS-Bauteilen
  • Schalten von THz-Signalen mit elektrostatischen Wanderkeilen

Funktionsprinzip Wanderkeilaktoren

Wanderkeilaktoren zeichnen sich durch ihre hohen Schalthübe bei vergleichsweise niedrigen elektrischen Spannungen aus. Sie umgehen die reziprok proportionale Abhängigkeit der elektrostatischen Kraft vom Elektrodenabstand durch einen minimalen Anfangsluftspalt. Dies resultiert in einem sequentiellen Abrollen der gekrümmten Elektrode auf dem Substrat, sobale die angelegte elektrische Spannung hoch genug ist.

 

Prinzipskizze des Wanderkeilaktors

Intrinsische Spannungen in galvanischen Nickelschichten

Teststruktur aus galvanischem Nickel zur Untersuchung lokaler Unterschiede in Schichtdicke und Schichtspannung

Der Hauptbestandteil eines Wanderkeilaktors ist die freistehende gekrümmte Elektrode. Diese lässt sich in einem Opferschichtprozess unter Verwendung von Schichten mit unterschiedlichen intrinsischen Spannungen herstellen. Bei der galvanischen Abscheidung von Nickel können intrinsische Spannungen durch die Stromdichte beim Abscheideprozess eingestellt werden. Jedoch kann die Stromdichte über einen Wafer verteilt variieren, wenn das Verhältnis aus freier Fläche und zu galvanisierender Fläche nicht konstant ist. Diese Zusammenhänge werden im Rahmen dieser Arbeit charakterisiert und Möglichkeiten zur gezielten Nutzung aufgezeigt.

Herstellung von Wanderkeilaktoren

Für ein funktionsfähiges Mikrosystem sind Prozesse notwendig, die die Abscheidung der notwenigen Schichten und deren Strukturierung in der gewünschten Qualität gewährleisten. Ein wesentlicher Aspekt bei der Herstellung von Wanderkeilaktoren ist das Dielektrikum. An dieses werden hohe Anforderungen bezüglich der elektrischen Eigenschaften gestellt. Weiter sollte es Resistent gegen die eingesetzten Chemikalien der Folgeprozesse sein. Hierzu werden im Rahmen dieser Arbeit die zur Verfügung stehenden Materialien untersucht.

Freitragende Strukturen, wie die gekrümmte Elektrode werden in der Mikrotechnik üblicherweise auf eine Opferschicht abgeschieden, die sich am Ende des Prozesses wieder entfernen lässt. Die Auswahl der Opferschicht stellt ein weiterer wesentlicher Aspekt dieser Arbeit dar.

Grenzen von Wanderkeilaktoren

Für den Entwurf von THz-Hohlleiterschalter ist es essentiell, die Grenzen von Wanderkeilaktoren bezüglich der Kontaktkraft zu kennen. Die Kraft, die der Aktor erzeugen kann hängt in erster Linie mit der elektrostatik Zusammen. So wird die Kraft durch die zur Verfügung stehende elektrische Spannung und die Durchbruchfeldstärke des Dielektrikums begrenzt. In dieser Arbeit wurden zusätzlich mechanische Restriktionen untersucht. So kann die gekrümmte Elektrode, abhängig von ihrer Dicke und vom Material nicht bis ins unendliche deformiert werden. Eine weitere Begrenzung ergibt sich durch die Herstellung. Zu hohe intrinsische Spannungen im Material können zur Zerstörung des Aktors schon bei der Herstellung führen. Wodurch der Aktor am stärksten limitiert wird, hängt von der Auslegung des Aktors ab. Die Gegenüberstellung der unterschiedlichen Grenzen kann helfen, die optimale Geometrie zu finden und so die Aktorkräfte zu maximieren.

Darstellung der verschiedenen Grenzen (Linien) von Wanderkeilaktoren bezüglich der erreichbaren Kraft (Farbverlauf).

THz-Hohlleiter für die Integration von MEMS-Bauteilen

Mit steigender Frequenz steigt auch der Anspruch an die Präzision bei der Hohlleiterherstellung. Durch die sinkende Größe werden die Einflüsse von Toleranzen größer und nicht ideale Kontaktstellen an Übergängen zwischen unterschiedlichen Bauteilen werden immer kritischer. In dieser Arbeit kommt hinzu, dass mikrotechnische Elemente in den Hohlleiter integriert werden sollen. So ergeben sich für die Umsetzung unterschiedliche Möglichkeiten, die mikrotechnische Hohlleiter, aber auch klassische gefräßte Split-Block-Strukturen beinhalten. 

Nach einem Vergleich unterschiedlicher Konzepte wird eine Variante basierend auf einem gefräßten Splitblock realisiert. Dessen Hohlleiter wird schräg, mit einer minimalen Anzahl von Kontaktflächen auf den MEMS-Chip geführt.

Entwurf eines Hohlleiter-Splitblocks.

Schalten von THz-Signalen mit elektrostatischen Wanderkeilen

Basierend auf den Ergebnissen zu den Grenzen von elektrostatischen Wanderkeilaktoren werden unterschiedliche THz-Schalter durch Simulationen miteinander verglichen. Während bei Frequenzen bis 110 GHz Wanderkeilaktoren senkrecht zur kurzen Seite des Hohlleiters integriert werden konnten, stößt dieses Konzept bei höheren Frequenzen an seine Grenzen. Dies ist der Fall, weil sich die Wellenlänge der THz-Welle in der selben Größenordnung wie der Aktor befindet. Integriert man den Aktor hingegen senkrecht zur langen Seite des Hohlleiters, spielt die Länge des Aktors nicht mehr die tragende Rolle.

Solche Schalter wurden aufgebaut und auf ihre THz-Eigenschaften hin vermessen.

Diverse Wanderkeilaktoren integriert in einen Hohlleiter

Kontakt

Technische Universität Darmstadt

Institut für Elektromechanische Konstruktionen

Mikrotechnik

David Lämmle, M.Sc.

S3/06 120
Merckstr. 25
64283 Darmstadt

+49 6151 16-23875
+49 6151 16-23852

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