การพิมพ์ 3 มิตินำเสนอแนวทางที่เป็นนวัตกรรมสำหรับส่วนประกอบ GHz และ THz

การพิมพ์หินสามมิติที่มีความแม่นยำสูงนำเสนอวิธีการใหม่ในการสร้างส่วนประกอบแบบแอคทีฟและพาสซีฟสำหรับช่วง 100 GHz และเทอร์เฮิร์ตซ์

เป็นที่ทราบกันดีว่าความถี่ในการใช้งานสำหรับวงจรไร้สายและแม้แต่แบบมีสายกำลังขยับสูงขึ้นอย่างรวดเร็วในสเปกตรัม และขนาดที่สอดคล้องกันก็หดตัวลง ความจริงก็คือว่าเมื่อไม่นานมานี้ การทำงานที่ความเร็วเพียงกิกะเฮิรตซ์ (GHz) หรือสองกิกะเฮิรตซ์ (GHz) ถือเป็นความสำเร็จของการทดสอบ แต่ไม่ใช่ความเป็นไปได้ในการผลิตจำนวนมาก ขณะนี้เรามีผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภคในตลาดมวลชนที่ออกแบบมาสำหรับกลุ่มผลิตภัณฑ์ที่หลากหลาย ช่วง GHz และก้าวเร็วขึ้นด้วย 5G ผลกระทบทางกายภาพยังเป็นที่ทราบกันดีว่าความถี่เพิ่มขึ้นและความยาวคลื่นลดลง ดังนั้นมิติที่เกี่ยวข้องและความคลาดเคลื่อนที่อนุญาตของส่วนประกอบ รางของบอร์ด การเชื่อมต่อระหว่างกัน...ก็แทบจะทุกอย่าง

ด้วยขนาดที่เล็กเหล่านี้ การสร้างและการใช้แม้แต่ส่วนประกอบพื้นฐาน เช่น ขั้วต่อ ถือเป็นความท้าทายที่สำคัญ ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือสายโคแอกเชียลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณหนึ่งหรือสองมิลลิเมตร ตัวเชื่อมต่อและท่อนำคลื่นมีความคลาดเคลื่อนของมิติที่แคบเสมอและจำเป็นต้องมีความทนทานบ้าง อย่างไรก็ตาม ขณะนี้ปัญหารุนแรงขึ้นเนื่องจากปัญหาที่ "น้อยลง" หรือมองข้ามไปก่อนหน้านี้ เช่น พื้นผิวเรียบและความเรียบ อาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพของขั้วต่อ แผ่นลามิเนตแผงวงจร และอื่นๆ การผลิตพื้นผิวและตัวเชื่อมต่อในขนาดเหล่านี้ ในหลาย ๆ ด้าน ถือเป็น MEMS (ระบบเครื่องกลไฟฟ้าขนาดเล็ก) เวอร์ชันที่ไม่ใช่ซิลิคอนและเป็นโลหะทั้งหมด

ในขณะเดียวกัน เราทุกคนตระหนักดีว่า Stereolithography (SLA) หรือที่เรียกว่าการพิมพ์ 3 มิติหรือการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (AM) ได้เปลี่ยนแปลงกลยุทธ์และการผลิตจริงที่เกี่ยวข้องกับส่วนประกอบทางกลไปอย่างมาก เทคนิคนี้ ซึ่งทำโดยใช้เรซินหรือโลหะผงหลายชนิดเป็นหลัก ช่วยให้สามารถทดลองการผลิตครั้งเดียว การดำเนินการนำร่อง และแม้แต่การดำเนินการผลิตชิ้นส่วนในปริมาณปานกลางซึ่งอาจเป็นเรื่องยากและเป็นไปไม่ได้เลยที่จะสร้างผ่านกระบวนการและเทคนิคแบบดั้งเดิม

นักวิจัยและผู้จำหน่ายเชิงพาณิชย์กำลังตรวจสอบวิธีใช้การพิมพ์ 3 มิติเพื่อแก้ปัญหาความท้าทายด้าน RF ในช่วงกิกะเฮิรตซ์ มันถูกใช้เพื่อสร้างตัวเชื่อมต่อขนาดเล็กและส่วนประกอบอื่น ๆ ที่การตัดเฉือนหรือการแกะสลักที่มีความแม่นยำแบบทั่วไปวิ่งเข้าไปในสิ่งกีดขวาง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่มีปริมาณน้อยถึงปานกลาง ซึ่งความพยายามในการตั้งค่าและเครื่องมือและต้นทุนค่อนข้างสูง แต่ปริมาณดังกล่าวไม่สามารถพิสูจน์ได้ว่าแม่พิมพ์ แม่พิมพ์ อุปกรณ์ติดตั้ง และสิ่งอื่นใดที่มีราคาแพงในการผลิตอุปกรณ์ขนาดเล็กเหล่านี้ ด้วยความแม่นยำของมิติและการตกแต่งที่ต้องการ

เริ่มต้นด้วยอุปกรณ์ GHz ที่พิมพ์ 3D ที่ใช้งานอยู่
แต่ทำไมต้องหยุดใช้อุปกรณ์แบบพาสซีฟล่ะ? ตัวอย่างที่น่าสนใจอย่างหนึ่งของอุปกรณ์แอคทีฟที่มีท่อนำคลื่นในตัว ซึ่งเป็นการเชื่อมต่อที่จำเป็นในการเปลี่ยนพลังงาน RF ไปและกลับจากส่วนประกอบแอคทีฟ มาจากทีมงานที่มหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮม (สหราชอาณาจักร) พวกเขาออกแบบและสร้างตัวทวีคูณความถี่ Schottky-diode 62.5 GHz ถึง 125-GHz (ใช่ นั่นคือ 125 GHz ไม่ใช่ 12.5 GHz) พร้อมโครงสร้างท่อนำคลื่นแบบแยกบล็อกโดยใช้กระบวนการพิมพ์ SLA ที่มีความแม่นยำสูง (ดู 1 อ้างอิง สำหรับผลงานตีพิมพ์ของพวกเขา)

ช่องนำคลื่นและหน้าแปลนคล้ายท่อนำคลื่น IC (MMIC) คลื่นมิลลิเมตรนี้ถูกพิมพ์โดยใช้ระบบจาก Boston Micro Fabrication (BMF) ซึ่งใช้การฉายภาพไมโครสเตอริโอลิโทกราฟี (PμSL) เทคโนโลยี (รูป 1 และ รูป 2); คุณสามารถดูเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการทำงานของระบบนี้ได้ในวิดีโอ BMF สั้นๆ (2 อ้างอิง).

ชิ้นส่วนท่อนำคลื่นโพลีเมอร์ที่พิมพ์แล้วถูกชุบด้วยทองแดงและชั้นป้องกันบาง ๆ ที่เป็นทองคำ พวกเขาระบุลักษณะความหยาบพื้นผิวของชิ้นส่วนท่อนำคลื่นที่พิมพ์ออกมาและวัดขนาดที่สำคัญ และข้อมูลแสดงให้เห็นคุณภาพการพิมพ์ที่ดีตลอดจนความแม่นยำของมิติที่ตรงตามข้อกำหนดความทนทานที่เข้มงวดสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้งานต่ำกว่าเฮิร์ตซ์ดังกล่าว (รูป 3).

ตัวทวีคูณของพวกเขาซึ่งพวกเขาอ้างว่าเป็นครั้งแรกที่ผลิตโดยใช้ SLA ประกอบด้วยวงจรรวมไมโครเวฟเสาหิน (MMIC) GaAs Schottky-diode หนา 20 μm ที่สร้างขึ้นในท่อนำคลื่น มีกำลังขับสูงสุด 33 mW ที่ 126 GHz พร้อมกำลังอินพุต 100 mW ในขณะที่ประสิทธิภาพการแปลงสูงสุด (ตัวเลขที่สำคัญ) อยู่ที่ประมาณ 32% ด้วยกำลังอินพุตตั้งแต่ 80 ถึง 110 mW

Schottky Diode “รีเฟรช”
หากคุณไม่คุ้นเคยกับการใช้ไดโอดชอตกีเป็นตัวคูณความถี่ วิธีการดังกล่าวจะใช้เทคนิคทั่วไปในการใช้องค์ประกอบที่ไม่ใช่เชิงเส้น ซึ่งในที่นี้เรียกว่าไดโอด เพื่อสร้างฮาร์โมนิกเมื่อขับเคลื่อนด้วยรูปคลื่นความถี่พื้นฐาน (รูป 4).

แน่นอนว่าสำหรับงานช่วง GHz แผนผังที่เรียบง่ายสามารถบอกเป็นนัยได้ว่ามันคืออะไร จริงๆ ใช้เวลาในการสร้างสองเท่าในทางปฏิบัติ เนื่องจากองค์ประกอบที่เรียบง่ายเหล่านั้นในแผนภาพมีการสำแดงที่แตกต่างกันมากในความเป็นจริงของกิกะเฮิรตซ์มากกว่าสิ่งที่ระบุด้วยสัญลักษณ์ง่าย ๆ เหล่านั้นในการวาดเส้น

การใช้ SLA ที่แม่นยำและวัสดุที่รองรับจะเปิดเส้นทางใหม่สำหรับการสร้างส่วนประกอบแบบพาสซีฟและแอคทีฟที่มีความถี่สูง GHz ที่เป็นเอกลักษณ์สำหรับแอปพลิเคชันแบบกำหนดเอง ปริมาณต่ำ และอาจถึงปริมาณสูงกว่าด้วยซ้ำ วิธีการนี้อาจช่วยให้สามารถประดิษฐ์ส่วนประกอบเหล่านี้โดยใช้การออกแบบและการจัดเตรียมซึ่งอาจเป็นเรื่องยากหากไม่สามารถทำได้โดยใช้เทคนิคแบบเดิม นอกจากนี้ยังอาจนำความหมายใหม่มาสู่แนวคิดและการใช้งานส่วนประกอบระดับกิกะเฮิรตซ์แบบบูรณาการ

จุดต่อไป: คลื่นเทราเฮิร์ตซ์
แม้ว่าอุปกรณ์สำหรับช่วงหลายสิบถึงหลายร้อยกิกะเฮิรตซ์นั้นยากต่อการประดิษฐ์และเชื่อมต่อระหว่างกัน แต่อุปกรณ์สำหรับคลื่นเทราเฮิร์ตซ์ (THz) ก็อยู่ในอีกขอบเขตของความยากลำบาก หนึ่ง THz อย่างเป็นทางการเท่ากับ 1000 GHz และโดยทั่วไปถือว่าย่านความถี่เทราเฮิร์ตซ์รวมความถี่ระหว่าง 100 GHz ถึง 10 THz ซึ่งสอดคล้องกับความยาวคลื่นระหว่าง 3 มิลลิเมตรถึง 30 ไมโครเมตร

แม้ว่าความถี่เทราเฮิร์ตซ์จะเป็นตัวแทนของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าและอยู่ภายใต้สมการที่รู้จักกันดีของ Maxwell แต่ย่านความถี่นี้ก็นำเสนอชุดองค์ประกอบที่มีเอกลักษณ์และประเด็นขัดแย้งในการออกแบบ การสร้างสรรค์ส่วนประกอบต่างๆ โดยเฉพาะส่วนประกอบที่ใช้งานอยู่ เพื่อให้วงดนตรีนี้ได้รับและสลับฟังก์ชันที่จำเป็นอื่นๆ แทบจะเหมือนกับการออกกำลังกายในเวทมนตร์ควบคู่กับงานศิลปะ

ทำไมเป็นเช่นนั้น? พูดง่ายๆ ก็คือความถี่เทราเฮิร์ตซ์สูงเกินไปสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบแอคทีฟ เนื่องจากการสูญเสียมากเกินไปและความเร็วพาหะที่จำกัด แต่ความถี่เหล่านั้นต่ำเกินไปสำหรับอุปกรณ์โฟโตนิก เนื่องจากขาดวัสดุที่ให้ bandgap ที่เล็กเพียงพอ (3 อ้างอิง).

ด้วยเหตุผลเหล่านี้และเหตุผลอื่นๆ “การพิมพ์ 3 มิติ” และ “คลื่นเทราเฮิร์ตซ์” ไม่ใช่วลีที่คุณคาดว่าจะเห็นในประโยคเดียวกัน แต่สามารถทำงานร่วมกันได้ นักวิจัยจาก Philipps-Universität Marburg (เยอรมนี) และ Centro de Investigaciones en Óptica, A.C. (León, เม็กซิโก) ทำงานร่วมกันเพื่อสร้างตะแกรงเลี้ยวเบนที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ซึ่งสามารถใช้เพื่อสะท้อนและควบคุมคลื่นเทราเฮิร์ตซ์ พวกเขา “พิมพ์” แผ่นตะแกรงเลี้ยวเบนแบบสะท้อนแสงโดยเริ่มจากแถบพลาสติก 17 แถบจำนวนหนึ่งแถว แต่ละด้านยาว 50 มม. และกว้าง 0.8 มม. หุ้มด้วยอลูมิเนียมฟอยล์ จากนั้นจึงเชื่อมต่อด้วยสปริงรูปตัว V (รูป 5).

จากนั้นตะแกรงแบบปรับได้จะถูกติดตั้งในคีมจับซึ่งพิมพ์แบบ 3D เช่นกัน และใช้แรงกดเพื่อปรับระยะห่างมิติของแถบ (รูป 6). ระยะเวลาอาเรย์คือ 2.3 มม. เมื่อผ่อนคลาย แต่สามารถลดลงอย่างต่อเนื่องเป็น 1.1 มม. โดยการใช้แรงกดด้านข้างผ่านการทำงานของคีมจับ

การทดสอบในช่วง 0.1 ถึง 1 THz แสดงให้เห็นประโยชน์ของอุปกรณ์ในการบังคับทิศทางลำแสงเทราเฮิร์ตซ์ผ่านมุม 25° หรือมากกว่า ในการวัดประสิทธิภาพของตะแกรง พวกเขาได้สร้างชุดข้อมูลโดยใช้รูปคลื่นเทราเฮิร์ตซ์ที่มีมุมของแขนเครื่องตรวจจับระหว่าง 30° ถึง 55° โดยขั้นละ 0.5° (รูป 7).

การบีบอัดบนตะแกรงเพิ่มขึ้น (ลดระยะห่างเป็นระยะของตะแกรง) ด้วยการวัดซ้ำด้วยการบีบอัดที่แตกต่างกันสามแบบ (รูป 8); ผลลัพธ์ที่ได้มาจากการแปลงฟูริเยร์ของรูปคลื่น

โครงการวิจัยไม่ได้หยุดอยู่เพียงการทดสอบการจัดเรียงขั้นพื้นฐานนี้ เนื่องจากพวกเขายังได้ตัดสินใจทดสอบความเป็นไปได้ของพวงมาลัยแบบ "แอคทีฟ" โดยใช้การจัดเรียงที่แตกต่างกัน พวกเขาพิมพ์ 3D ตะแกรงขนาดใหญ่ขึ้นซึ่งปรับให้เหมาะกับการทำงาน 120-GHz และวางไว้บนแท่นยึด จากนั้นจึงแก้ไขและต่อชุดเข้ากับลำโพงเสียง การทำเช่นนี้ การสั่นจากลำโพงสามารถทำให้เกิดการบีบอัด/คลายการบีบอัดบนตะแกรงได้

ลำโพงขับเคลื่อนด้วยคลื่นไซน์ 60.5 เฮิร์ตซ์ (เลือกเนื่องจากปัญหาการสั่นพ้องทางกล ไม่ใช่ความถี่ของสาย AC) และสามารถมองเห็นลำแสง THz ของคลื่นต่อเนื่องที่กระทบอย่างต่อเนื่อง (CW) ที่ถูกบังคับทิศทางไปข้างหน้าและข้างหลังขณะกำลัง ซิงโครไนซ์กับการเคลื่อนไหวของลำโพง รายละเอียดโครงการทั้ง XNUMX ส่วนอยู่ใน (4 อ้างอิง).

เนื้อหา EE World ที่เกี่ยวข้อง
เหตุใดบรรจุภัณฑ์ 3 มิติจึงอาจเป็นความก้าวหน้าครั้งต่อไปสำหรับการประมวลผล
มีการใช้เซ็นเซอร์ในการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติอย่างไร
การพิมพ์ 3 มิติสำหรับระบบ 5G
การพิมพ์ 3 มิติและการผสมผสานแบคทีเรียเพื่อการเก็บเกี่ยวพลังงานแสงอาทิตย์
การใช้งานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่พิมพ์แบบ 3 มิติและ 4 มิติมีอะไรบ้าง

การอ้างอิงภายนอก
ธุรกรรม IEEE บนเทราเฮิร์ตซ์ ผ่านทางมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮม (สหราชอาณาจักร) “ตัวเพิ่มความถี่ 125 GHz โดยใช้ช่องนำคลื่นที่ผลิตโดย Stereolithography”
Boston Micro Fabrication “เรียนรู้วิธีการทำงานของ PµSL”
วารสารไมโครเวฟ., “THz การสร้างและการวิเคราะห์ด้วย อิเล็กทรอนิกส์ และเทคโนโลยีโฟโตนิก”
OSA ออพติกส์ เอ็กซ์เพรส, “ระบบบังคับเลี้ยวแบบลำแสงเทระเฮิรตซ์โดยใช้ตะแกรงเลี้ยวเบนแบบแอคทีฟที่ประดิษฐ์โดยการพิมพ์ 3 มิติ”