06.12.2011
Während in koaxialen Wellenleitern und Hohlleitern rückführbare Streuparametermessungen längst möglich sind, gilt dies für planare Wellenleiter nur unter der Annahme idealer Geometrien und Materialien. Wie aktuelle Untersuchungen gezeigt haben, kann die komplexe Permittivität eines dielektrischen Substrats, die einen beträchtlichen Einfluss auf die Ausbreitungseigenschaften einer darauf befindlichen Koplanarleitung (CPW) hat, nur mit relativ hoher Messunsicherheit bestimmt werden. Selbst unter Zuhilfenahme genauester Messverfahren für relative Permittivität und Verlustwinkel des Substrats ist die verbleibende Unsicherheit in den Wellenleitereigenschaften immer noch viel höher als im koaxialen Fall.
Einen Lösungsansatz für dieses Problem bietet eine CPW auf einer dünnen, isolierenden Schicht, die in Membrantechnologie gefertigt wird. Im Gegensatz zu einem CPW-Trägersubstrat mit mehreren hundert Mikrometern Dicke führt eine sehr dünne Membran als Träger zu einer effektiven Dielektrizitätskonstante nahe dem idealen Wert von 1. Daraus folgen hervorragende Dispersionseigenschaften, und auch die Anregung unerwünschter Oberflächenmoden wird verhindert. Mit Hilfe eines an der PTB entwickelten mathematischen Modells ist die genaue Vorhersage der Ausbreitungseigenschaften einer Membran-CPW möglich. Entsprechende von einer Membran getragene, koplanare Strukturen wurden erfolgreich am Institut für Mikrotechnik der TU Braunschweig hergestellt. Der entwickelte Prozess bietet die Möglichkeit, CPWs aus Gold auf einer ca. 1 µm dicken Membran aus Mehrfrequenz-Nitrid, gehalten von einem Siliziumrahmen, herzustellen.
Die messtechnische Verifikation des mathematischen Modells erwies sich in der Vergangenheit als sehr schwierig, da die Verluste des auf dem Siliziumsubstrat befindlichen Teils der Membran-CPW, auf dem das Aufsetzen der Prüfspitzen erfolgt, zu hoch waren. Erst durch die Entwicklung einer speziellen Aufsetzstruktur, die für einen breitbandigen und reflexionsarmen Übergang des Signals von dem hochleitfähigen Siliziumsubstrat zu der Membran-CPW sorgt, sind die Vorteile der Membran-CPW für On-Wafer-Anwendungen nutzbar geworden. Unter anderem gelang die Verifikation des mathematischen Modells der Membran-CPW. Im Bild erkennt man die sehr gute Übereinstimmung von Modell- und Messwerten für die Dämpfungs- und Phasenkonstante der Membran-CPW.
Bild:
Gemessene und berechnete Ausbreitungskonstante eines in Membrantechnologie gefertigten koplanaren Wellenleiters (oberes Teilbild für die Dämpfungskonstante, unteres Teilbild für die normierte Phasenkonstante).
Ansprechpartner: U. Arz
Fachbereich 2.2 : Hochfrequenz und Felder