Open this publication in new window or tab >>2021 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]
With the development of terahertz (THz) technology, a variety of application demands are growing rapidly, such as high-rate communications, THz radars, environmental monitoring, medical imaging, and space exploration. However, the fabrication, integration, and packaging techniques for THz components and systems pose great challenges for a large-scale, cost-effective production. The current THz technology relies on the conventional and expensive serial fabrication and packaging techniques, such as computer numerical control (CNC) high-precision machining, which are suitable only for high-end research instrumentation or one-off prototypes. Nowadays, THz microelectromechanical system (MEMS) is a leading candidate to realize high-precision, low-cost, large-volume fabrication, and integration for miniaturized THz components and systems. In this thesis, several key components and technologies of THz MEMS are developed towards the progression of future THz microsystem front-ends.
In the following research, D-band filters and diplexers have been implemented by an advanced Si micromachining technology based on a releasable-filling-structure (RFS) approach which can achieve high-precision geometries for THz waveguide devices. Fabrication imperfection is a big issue which affects the performance of the devices, namely, insertion loss, bandwidth, and operation frequency. The RFS-based silicon-on-insulator (SOI) micromachining technology improves the deep reactive ion etching (DRIE) processing performance, especially sidewall verticality, by utilizing extra structures to fill the large areas, which in turn, can obtain uniform etching aspect ratios.
The state-of-the-art MEMS phase shifter based on a waveguide-integrated SOI micromachining technology has been successfully demonstrated at 220-330 GHz, with a full-band and low insertion-loss characterization. MEMS comb-drive actuators are integrated in the device layer of the SOI substrate, which move Si slabs in a rectangular waveguide of the handle layer for changing the propagation constant. Integrating tunability or reconfigurability into THz microsystems is a very crucial aspect for implementing signal modulation, frequency band selection, beam scanning, and calibration applications in THz MEMS front-ends. The demonstrated work paves the way towards a three-dimensional (3D)-micromachined, SOI integrated rectangular waveguide microsystem.
A series of high-Q multilayer filters have been achieved by a vertically stacked Si-chip micromachining technology. The frequencies cover 270 GHz, 300 GHz, 450 GHz, 687 GHz and 700 GHz. The fabrication accuracy and repeatability of this kind of THz waveguide filters based on this vertically stacked multilayer platform have been investigated by experiments. A versatile axial-port-integrated multilayer device concept has been proposed for enabling the direct on-flange characterization and integration for advanced THz waveguide components. H-plane waveguide filters with versatile axial-interfaces based on the vertically stacked multilayer platform has been successfully demonstrated. This vertically stacked multilayer Si micromachining technology shows a promising potential in implementing highly integrated, compact 3D THz microsystems.
Abstract [sv]
I takt med utvecklingen av THz teknologi har behovet av en mängd applicationer växt explosionsartat, som t.ex höghastighetskommunikation, THz radars, miljömonitorering, medicinsk imaging och rymdutforskning. Tillverkningen, integreringen och förpackningstekniker kvarstår dock som stora utmaningar för THz-komponenter och system för att uppnå storskalig och kostnadseffektiv produktion. Nuvarande THz-teknologier förlitar sig på konventionella, dyra metoder för serietillverkning och förpackning, såsom computer numerical control (CNC) högprecisionsbearbetning, som enbart lämpar sig för avancerade forskningsinstrument eller engångsprototyper. Nu för tiden är THz MEMS en lovande kandidat för att realisera hög precision, låg kostnad och höga volymer vid tillverkning och integrering av miniatyriserade, passiva THz komponenter och system. I den här avhandlingen utvecklas flera nyckelkomponenter och teknologier inom THz MEMS till fördel för framtidens THz mikrosystem.
I ett av projekten har D-band filter och diplexer implementerats med hjälp av en avancerad mikrobearbetad vågledarteknologi som baseras på en frigörbar fyllnadsstruktur som uppnår geometrier med hög precision för THz vågledarenheter. Imperfektioner inom tillverkning är ett stort problem som påverkar prestationen hos enheter när det gäller inkopplingsförluster, bandbredd och operationsfrekvens. RFS-baserad SOI mikrobearbetningstekniker förbättrar deep reactive ion etching (DRIE) processens prestation och enhetlighet, särskilt inom sidväggs-vertikalitet, genom att utnyttja extra strukturer för att fylla de stora etsytorna och uppnå enhetliga aspect ratios av etsdiken.
En toppmodern MEMS fasväxlare baserad på en vågledar-integrerad SOI mikrobearbetningsteknik har framgångsrikt demonstrerats vid 220-330 GHz med karaktärisering av fullband med låg inkopplingsförlust. MEMS comb-drive aktuatorer är integrerade i device-lagret på SOI-skivan, vilka förflyttar kiselplattor i den rektangulära vågledaren för att förändra fortplantningskonstanten. Att integrera inställ- och konfigurerbarhet i THz-MEMS är en kritisk aspekt för att implementera signalmodulering, val av frekvensband, strålskanning och kalibrering i THz MEMS front-ends. Det demonstrerade arbetet banar väg för tredimensionella (3D) mikrobearbetade SOI-integrerade rektangulära vågledar-plattformar.
En serie multilager-filter med höga Q-värden har åstadkommits genom kiselbearbetningstekniker inom vertikala staplade kiselchip. Frekvenserna täcker 270, 300, 450, 687 och 700 GHz. Tillverkningsnoggrannheten och repeterbarheten av denna typ av THz-vågledarfilter baserade på vertikala staplade multilager har undersökts. En mångsidig axiell portintegrerad multilagerenhet har föreslagits för att möjliggöra den direkta standardiserade fläns-koaxial-kopplingen. H-plan vågledarfilter med detta mångsidiga koaxialgränssnitt har framgångsrikt demonstrerats. Denna kiselbearbetningsteknik inom vertikala staplade multilager uppvisar potential för att implementera integrerade, kompakta 3D-mikrosystem inom THz applikationer.
Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2021
Series
TRITA-EECS-AVL ; 2021:21
National Category
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Research subject
Electrical Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-291887 (URN)978-91-7873-819-9 (ISBN)
Public defence
2021-04-16, online, Malvinas Väg 10, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note
QC 20210326
2021-03-262021-03-222025-07-06Bibliographically approved