MARIE – Mobile Material Characterization and localization by electromagnetic sensing
Teilprojekt C12: Passive strahllenkende Wellenleiter-Arrays
Das Teilprojekt C12 gehört zum SFB/TRR 196 MARIE. Die Vision des MARIE-Projekts ist es, bewegte Materialien in unserer täglichen Umgebung über submillimeter-Strahlung präzise und dynamisch zu charakterisieren und zu lokalisieren. Der Lehrstuhl MST kann hier einen entscheidenden Beitrag leisten, da die Dimensionen von THz-Frequenzen und der Auslenkungsbereich der MEMS-Aktorik in ähnlichen Bereichen liegen.
In Phase 1 (2019-2020) des Projekts wurden Lösungen für Aktoren erarbeitet, die eine Auslenkung im submillimeter-Bereich erreichen. Dafür wurden Antennen entworfen, die einen True-Time-Delay realisieren. Das Konzept wird in Abb. 1 gezeigt. Durch die Kombination mehrerer SOI-Chips, die jeweils aus einem Spiegel und einem im submillimeter-Bereich auslenkendem Aktor bestehen, kann mechanisch eine Strahlformung umgesetzt werden. Ein MEMS-Phantom und das zugehörige Strahlungsdiagramm werden in Abb. 2 dargestellt.
 Abb. 1: Konzept der Reflektarray-Antenne [1] |  Abb. 2: Eine MEMS-Phantom Antenne und das zugehörige Strahlungsdiagramm [2] |
Im Rahmen des Teilprojekts wurden sowohl MEMS-Spiegel als auch MEMS-Aktoren entworfen. Abb. 3 zeigt einen MEMS-Spiegel, der aus Device- und Handle-Layer eines SOI-Substrats besteht und sich somit für die Reflektion der THz-Strahlung eignet. Abb. 4 zeigt einen DAC mit Spiegel- werden mehrere dieser Chips kombiniert bilden diese eine Reflektarray-Antenne, die in Abb. 5 dargestellt ist.
 Abb. 3: Stufenaktor mit MEMS-Spiegel [3] |  Abb. 4: DAC mit MEMS-Spiegel |  Abb. 5: Aktuierte Reflektarray-Antenne mit 3 individuell und stufenweise auslenkbaren Spiegeln [1] |
| Video 1 zeigt einen Stufenaktor, der bei gleicher Spannung eine stufenweise Auslenkung erreicht. Video 2 zeigt einen mechanischen Digital-Analog-Wandler (DAC), der mit nur 6 Aktoren bis zu 27 diskrete Positionen ansteuern kann. | ||
Video 1 | Video 2 | |
In Phase 2 (seit 2021) des Projekts werden Silicium-basierte THz-Wellenleiter entwickelt, die ein vollständig integriertes transmissives Konzept zur passiven Strahlformung erlauben. Dafür wurden zunächst Technologien zum Prozessieren von hoch-resistivem Silicium vorangebracht, das als dielektrischer Rahmen für die THz-Strahlung dient (Abb. 6). Anschließend wurden MEMS-basierte Wellenleiter simulativ konzipiert, hergestellt und elektro-mechanisch sowie hochfrequenztechnisch charakterisiert. Abb. 7 zeigt hergestellte Wellenleiter, die von einem Metamaterial umgeben sind. Das Metamaterial zeichnet sich durch seine Periodizität und kleine Strukturgröße aus, sodass es die Ausbreitungscharakteristik der THz-Strahlung kaum beeinflusst.
 Abb. 6: Spalt-Wellenleiter Feldverteilung bei 0,3 THz simuliert mit Beam Propagation Method [6] |  Abb. 7: Spalt-Wellenleiter in hochresistivem Silizium, Aufhängung durch Ätzen ausgedünnt (Metamaterial) [7][8] |
| Abb. 8 zeigt einen Phasenschieber, der aus einem HR-Si basiertem Wellenleiter, Metamaterial und elektrostatischen Kammaktoren besteht. Wie in Video 3 gezeigt, variieren die Aktoren die Spaltbreite des Wellenleiters. Die sich daraus ergebende mechanische Laufzeitverlängerung resultier in einer Phasenschiebung. | ||
 Abb. 8: HR-Si-basierte Wellenleiter [7] | Video 3: Phasenschieber [7] | |
[1] Lisa Schmitt, Xuan Liu, Philip Schmitt, Andreas Czylwik, Martin Hoffmann:
Large Displacement Actuators With Multi-Point Stability for a MEMS-Driven THz Beam Steering Concept
In: Journal of Microelectromechanical Systems, 2023
DOI: 10.1109/JMEMS.2023.3236145
[2] Xuan Liu, Lisa Schmitt, Benedikt Sievert, Jonas Lipka, C. Geng, Kevin Kolpatzeck, Daniel Erni, Andreas Rennings,
Jan C. Balzer, Martin Hoffmann, Andreas Czylwik:
Terahertz Beam Steering Using a MEMS-based Reflectarray Configured by a Genetic Algorithm
In: IEEEAccess, Vol. 10, pp. 84458-84472, 2022
DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3197202
[3] Schmitt, L.; Liu, X.; Czylwik, A.; Hoffmann, M.:
Design and Fabrication of MEMS Reflectors for THz Reflect-Arrays
In: 2021 Fourth International Workshop on Mobile Terahertz Systems (IWMTS), 2021, pp. 1-5
DOI: 10.1109/IWMTS51331.2021.9486804
[4] Lisa Schmitt and Martin Hoffmann:
Large Stepwise Discrete Microsystem Displacements Based on Electrostatic Bending Plate Actuation
In: Actuators 2021, 10(10), 272
DOI: 10.3390/act10100272
[5] Schmitt, Lisa; Schmitt, Philip; Hoffmann, Martin:
3-Bit Digital-to-Analog Converter with Mechanical Amplifier for Binary Encoded Large Displacements
In: Actuators 2021, 10, 182
DOI: 10.3390/act10080182
[6] Marcel Alver Burfeindt, Jan Kristof Dausien, Lisa Schmitt, Jan Barowski, Ilona Rolfes, Martin Hoffmann:
Approaching Dielectric Silicon Slot Waveguides for THz Frequencies by Simulation From Optical and Electrical Points of View
In: Sixth International Workshop on Mobile Terahertz Systems, 2023
DOI: 10.1109/IWMTS58186.2023.10207848
[7] Jan Barowski, Lisa Schmitt, Kristof Dausien, Martin Hoffmann:
Design, Simulation and Characterization of MEMS-based Slot Waveguides
In: IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2023
DOI: 10.1109/TMTT.2023.3255589
[8] Francesca Schenkel, Irwin Barengolts, Lisa Schmitt, Ilona Rolfes, Martin Hoffmann, Jan Barowski:
Silicon based Metamaterials for Dielectric Waveguides in the THz Range
In: IEEE Microwave Mediterranean Symposium, 2022
DOI: 10.1109/mms55062.2022.9825523
[9] L. Schmitt, J. Barowski, M. Hoffmann:
THz Phase Shifter based on MEMS-actuated Slot Waveguides
In: 2022 Fifth International Workshop on Mobile Terahertz Systems (IWMTS), 2022, pp. 1-4
DOI: 10.1109/IWMTS54901.2022.9832456
Ansprechpartner am Lehrstuhl: Prof. Dr.-Ing. Martin Hoffmann, M. Sc. Marcel Burfeindt
Links:
SFB/TRR 196 MARIE: MARIE Teilprojekt C12