Monolothisch integrierter mm-Wellen Radarchip für Anwendungen in der Medizin (mm-Radar-IC)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Bedeutung von Mikrowellen für die Erschließung neuer medizinischer Diagnoseverfahren ist stark steigend wie die Einrichtung spezieller Symposien zu diesem Thema beweist. In diesem Vorhaben wurden monolithisch integrierte mm-Wellen Sende-/ Empfangseinheiten konzipiert, entworfen, in hauseigner SIMMWIC (silicon based monolithic microwave integrated circuit) Technologie gefertigt, und in Kooperation mit Nachbarinstituten vermessen. Für die Sendeseite wurde ein IMPATT Oszillator gewählt, der die koplanare Sendeantenne mit Leistung speist. Für die Empfängerseite wurde ein Mott-Dioden Detektor gewählt, der die von einer Mikrostreifen Antenne empfangenen Mikrowellen Signale in ein Gleichspannungssignal wandelt. Die Chipflächen für Sender und Empfänger waren mit 3,9 mm2 bzw. 30 mm2 deutlich kleiner als 1 cm2. Die Forderung einer medizinischen Anwendbarkeit für interne Diagnostik wurde damit klar erfüllt. Im Rahmen des Projekts wurden drei wissenschaftliche Fragstellungen näher untersucht: (i) Frequenzabhängigkeit der Impedanz von IMPATT Dioden: Die IMPATT-Diode zeigt in der Nähe einer Resonanzstelle, der stromabhängigen Lawinenfrequenz, eine große Variationsbreite an verfügbaren Impedanzwerten. Die Resonanzfrequenz ist weitgehend unempfindlich gegenüber technologischen Details der IMPATT-Struktur, das quantitative Verhältnis von Imaginär- zu Realteil der Impedanz ist jedoch sehr sensitiv abhängig von Schichtdetails. (ii) Bedingungen für den Betrieb von IMPATT-Sendern: Frühere Versuche zur Integration von IMPATT-Dioden zeigten um Größenordnungen geringere Effizienz als erwartet aus den Erfahrungen mit diskreten Bauelementen dieses Typs. Als kritisch erweist sich die Impedanz- Anpassung an der Schnittstelle zwischen Oszillator und Antenne. Die große Variationsbreite der Impedanzwerte sorgt für einen großen Frequenzspielraum des Oszillators, aber die Erfüllung der Kurokawa Bedingung für den Sender ist nur möglich bei genauer Anpassung von Real- und Imaginärteil der Subsystem Impedanzen, die mit „on wafer“ S-Parameter Messungen an Teststrukturen erschlossen werden. (iii) Einfluss von Grenzfrequenzen auf den Hochfrequenzbetrieb von Schottky-Gleichrichtern: Schottky-Dioden werden übersichtlich charakterisiert durch ihre serielle (cut-off) Grenzfrequenz, die stromlos (𝑉 = 0 𝑉 ) gemessen wird. Das Gleichrichterverhalten unter Vorwärtsspannung erweist sich als komplexer abhängig von Design der Schichtstruktur und den Betriebsbedingungen als nur erwartet aus der Kenntnis der seriellen Grenzfrequenz. Optimale Bedingungen erfordern ein Schichtdesign der Schottky-Diode, das den Zusammenbruch der Raumladungszone weit in den Vorwärtsbereich verschiebt (Mott Diode) und eine Vorspannung der Diode bis zu einem Wert unterhalb dieses Zusammenbruchs der Raumladungszone. Das Vorhaben hat grundsätzliche Erkenntnisse über die Funktion von Sende-/ Empfangseinheiten mit monolithisch integrierten Antennen in SIMMWIC Technik geliefert. Die technologische Realisierung hat kleine Chipgrößen und Sende-/ Empfangseigenschaften demonstriert, die mit den Anforderungen einer inneren Diagnostik verträglich sind. Prinzipiell sind damit jedoch auch Untersuchungen an technischen Hohlräumen möglich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"A monolithic integrated 85 GHz schottky rectenna with dynamic tuning range of the conversion voltage," International Symposium on Radio-Frequency Integration Technology (RFIT), 2014 IEEE, TH1A-2, pp. 1-3, Aug. 2014
W. Zhang and E. Kasper, M. Oehme, M. Kaschel, V. Stefani, and J. Schulze
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Device Operation as Crystal Quality Probe of the book: Silicon; Germanium, and Their Alloys: Growth, Defects, Impurities, and Nanocrystals, CRC Press, pp. 353-374, Dec. 2014 (ISBN: 9781466586642; 9781466586659 electronic version)
E. Kasper, W. Zhang
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"SIMMWIC integration of millimeter-wave antenna with two terminal devices for medical applications," Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems (SiRF), 2015 IEEE, pp.1-3, Jan. 2015
E. Kasper, W. Zhang
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"S-parameter based device-level C-V measurement of p-i-n single-drift IMPATT diode for millimeter-wave applications," International Wireless Symposium (IWS), 2016 IEEE MTT-S, TU2D-2, Mar. 2016
W. Zhang, M. Oehme, K. Kostecki, K. Matthies, V. Stefani, A. I. Raju, D. Noll, V.S. S. Srinivasan, R. Körner, E. Kasper, and J. Schulze
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"S-parameter characterization and lumped-element modelling of millimeter-wave single-drift impactionization avalanche transit-time diode," Japanese Journal of Applied Physics (JJAP), vol. 55, no. 4S, pp. 04EF03:1-6, Mar. 2016
W. Zhang, Y. Yamamoto, M. Oehme, K. Matthies, A. I. Raju, V.S. S. Srinivasan, R. Körner, M. Gollhofer, S. Bechler, H. Funk, B. Tillack, E. Kasper, and J. Schulze
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Small-signal IMPATT diode characterization for millimeter-wave power generation in monolithic scenarios," European Solid State Device Research Conference (ESSDERC),2016
W. Zhang, M. Oehme, K. Matthies, V. Stefani, A. I. Raju, E. Kasper, and J. Schulze
