Silicon Micromachined Multilayer Waveguide Components and Reconfigurable Systems for  Sub-Terahertz Applications

QC 20260504

Abstract

Tekniker inom terahertz- (THz) och sub-terahertzområdet (sub-THz) väcker ett växande intresse för tillämpningar såsom radioastronomi, detektering och avbildning, högupplösande radar samt nästa generations kommunikationssystem. Vid dessa frekvenser erbjuder kiselmikromaskinering baserad på djup reaktiv jonetsning (DRIE) och silicon-on-insulator-teknik (SOI) en lovande plattform för att realisera  vågledarkomponenter med hög precision, låg förlust och god integrationsförmåga. Denna avhandling undersöker flerskiktade kiselmikromaskinerade vågledarteknologier och MEMS-baserade omkopplingskretsar för THz- och sub-THz-tillämpningar, med fokus på lågförlustintegration, högpresterande omkoppling och mekanisk tillförlitlighet.

Den första delen av avhandlingen behandlar integrering av flerskiktade vågledare. Vertikalt och horisontellt staplade vågledare jämförs för att klargöra hur staplingsorientering, strömfördelning och DRIE-inducerad ytjämnhet påverkar ledarförlusten. konstruktionsriktlinjer för Baserat att på denna minimera analys etableras fortplantningsförlust i flerskiktsarkitekturer. Dessutom utvecklas en bredbandig integrerad 90° vågledarvridning för att möjliggöra ortogonal integration av H-plans- och Eplansdelsystem inom en kompakt kiselmikromaskinerad plattform, med låg insättningsförlust och god anpassning över 220–325 GHz.

Den andra delen av avhandlingen undersöker ett interferensbaserat MEMSkoncept med rekonfigurerbar yta för lågförlustomkoppling i vågledare. En enpolig enkastomkopplare (SPST) för 220–290 GHz validerar omkopplingsprincipen, och konceptet utvidgas därefter till en fyrports korskopplare för flerportssignalroutning. Särskilt fokus läggs på en korskopplare för 163,6–182,55 GHz, utvecklad för det interna kalibreringsomkopplingssystemet i en rymdburen radiometer som arbetar nära vattenångans absorptionslinje vid 183,31 GHz. Mätningar visar god överensstämmelse med simuleringar och bekräftar utmärkt RF-prestanda över det erforderliga frekvensbandet. För att ytterligare undersöka tillverkningens inverkan implementeras och jämförs två olika DRIE-baserade processflöden. Resultaten visar att både hålrummens ytkvalitet och geometrisk underetsning måste beaktas, och att deras relativa påverkan beror på den specifika komponentimplementeringen. Även om geometriska avvikelser delvis kan beaktas i konstruktionen genom simulering efter processkarakterisering, kvarstår ytjämnhet som en av de huvudsakliga begränsningarna för att uppnå låg insättningsförlust.

Den sista delen av avhandlingen behandlar metalliseringsinducerad restspänning i upphängda SOI-baserade MEMS-strukturer. Eftersom den guldbeläggning som krävs för lågförlustig vågutbredning kan orsaka kraftig deformation ut ur planet och leda till omkopplingsfel, utvecklas och valideras experimentellt en termisk anlöpningsstrategi efter metallisering. Resultaten visar att anlöpning effektivt reducerar eller reverserar spänningsgradienten, återställer strukturernas planhet och möjliggör tillförlitlig aktivering.

Sammantaget bidrar kiselmikromaskinerad denna THz- avhandling och till utvecklingen sub-THz-vågledarteknik av genom kompletterande studier av flerskiktsintegration, vågledaromkoppling, tillverkningsstrategier och spänningskontroll. Det presenterade arbetet ger både demonstrationer på komponentnivå och praktiska konstruktionsriktlinjer för kompakta, lågförlustiga och mekaniskt tillförlitliga vågledarkomponenter och delsystem.

Link to DiVA