Low-frequency noise considerations for sensors based on manganites

International audienceLow frequency noise considerations for sensors based on La0.33Sr0.67MnO3 (LSMO) thin films are discussed in this paper. Thanks to special attention on the film quality, onthe electrical readout electronics and on the patterned geometries, epitaxially grown LSMO thin films can show a very low level of low-frequency noise and can thus be used to fabricate high signal-to-noise ratio sensors such as uncooled bolometers and uncooled low-field magnetoresistances

Wideband precision stabilization of the -18.6kV retarding voltage for the KATRIN spectrometer

The Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) measures the effective electron anti-neutrino mass with an unprecedented design sensitivity of 0.2 eV (90 % C.L.). In this experiment, the energy spectrum of beta electrons near the tritium decay endpoint is analyzed with a highly accurate spectrometer. To reach the KATRIN sensitivity target, the retarding voltage of this spectrometer must be stable to the ppm level and well known on various time scales ($\mu s$ up to months), for values around -18.6 kV. A custom-designed high-voltage regulation system mitigates the impact of interference sources in the absence of a closed electric shield around the large spectrometer vessel. In this article, we describe the regulation system and its integration into the KATRIN setup. Independent monitoring methods demonstrate a stability within 2 ppm, exceeding KATRIN's specifications.Comment: 28 pages, 17 figures, minor improvement

SLM-based Digital Adaptive Coronagraphy: Current Status and Capabilities

Active coronagraphy is deemed to play a key role for the next generation of high-contrast instruments, notably in order to deal with large segmented mirrors that might exhibit time-dependent pupil merit function, caused by missing or defective segments. To this purpose, we recently introduced a new technological framework called digital adaptive coronagraphy (DAC), making use of liquid-crystal spatial light modulators (SLMs) display panels operating as active focal-plane phase mask coronagraphs. Here, we first review the latest contrast performance, measured in laboratory conditions with monochromatic visible light, and describe a few potential pathways to improve SLM coronagraphic nulling in the future. We then unveil a few unique capabilities of SLM-based DAC that were recently, or are currently in the process of being, demonstrated in our laboratory, including NCPA wavefront sensing, aperture-matched adaptive phase masks, coronagraphic nulling of multiple star systems, and coherent differential imaging (CDI).Comment: 14 pages, 9 figures, to appear in Proceedings of the SPIE, paper 10706-9

Waveguide Heterodyne Mixers at THz-Frequencies --- Superconducting Hot Electron Bolometers on 2-µm Si_3N_4 Membranes for GREAT and CONDOR

Design und Eigenschaften der Hohlleitermischer um 1.4 THz und 1.9 THz aus NbTiN basierten phonongekühlten "Hot-Electron-Bolometer" (HEB) auf einem 2 µm dickes Si_3N_4 Membran hergestellt worden sind. Die Membrane wird auf einem Siliziumrahmen im Mischerblock mit einem Flip-Chip Verfahren aufgebracht und kontaktiert. Simulierte HF-Kopplung wird mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Empfänger Rauschtemperatur zeigen unkorrigierte Werte von 1600 K bei 1.4 THz und 2100K bei 1.9THz, beide bei einer Zwischenfrequenz von 1.5GHz Frequenz. Die Kühlung der Devices durch die Membran scheint nicht problematisch zu sein. Die Mischer werden in den astronomischen Empfängern für SOFIA (GREAT & CONDOR) und APEX (CONDOR) benutzt

III-V Nanowire MOSFET High-Frequency Technology Platform

This thesis addresses the main challenges in using III-V nanowireMOSFETs for high-frequency applications by building a III-Vvertical nanowire MOSFET technology library. The initial devicelayout is designed, based on the assessment of the current III-V verticalnanowire MOSFET with state-of-the-art performance. The layout providesan option to scale device dimensions for the purpose of designing varioushigh-frequency circuits. The nanowire MOSFET device is described using1D transport theory, and modeled with a compact virtual source model.Device assessment is performed at high frequencies, where sidewall spaceroverlaps have been identified and mitigated in subsequent design iterations.In the final stage of the design, the device is simulated with fT > 500 GHz,and fmax > 700 GHz.Alongside the III-V vertical nanowire device technology platform, adedicated and adopted RF and mm-wave back-end-of-line (BEOL) hasbeen developed. Investigation into the transmission line parameters revealsa line attenuation of 0.5 dB/mm at 50 GHz, corresponding to state-ofthe-art values in many mm-wave integrated circuit technologies. Severalkey passive components have been characterized and modeled. The deviceinterface module - an interconnect via stack, is one of the prominentcomponents. Additionally, the approach is used to integrate ferroelectricMOS capacitors, in a unique setting where their ferroelectric behavior iscaptured at RF and mm-wave frequencies.Finally, circuits have been designed. A proof-of-concept circuit, designedand fabricated with III-V lateral nanowire MOSFETs and mm-wave BEOL, validates the accuracy of the BEOL models, and the circuit design. Thedevice scaling is shown to be reflected into circuit performance, in aunique device characterization through an amplifier noise-matched inputstage. Furthermore, vertical-nanowire-MOSFET-based circuits have beendesigned with passive feedback components that resonate with the devicegate-drain capacitance. The concept enables for device unilateralizationand gain boosting. The designed low-noise amplifiers have matching pointsindependent on the MOSFET gate length, based on capacitance balancebetween the intrinsic and extrinsic capacitance contributions, in a verticalgeometry. The proposed technology platform offers flexibility in device andcircuit design and provides novel III-V vertical nanowire MOSFET devicesand circuits as a viable option to future wireless communication systems

Surface and inter-phase analysis of Composite Materials using Electromagnetic Techniques based on SQUID Sensors

In this thesis an electromagnetic characterization and a non-destructive evaluation of new advanced composite materials, Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) and Fiber-Glass Aluminium (FGA) laminates, using an eddy-current technique based on HTS dc-SQUID (Superconductive QUantum Interference Device) magnetometer is proposed. The main goal of this thesis is to propose a prototype based on a superconducting sensor, such as SQUID, to guarantee a more accuracy in the quality control at research level of the composite materials employed in the aeronautical applications. A briefly introduction about the superconductivity, a complete description of the SQUID properties and its basic working principles have been reported. Moreover, an overview of the most widely used non destructive technique employed in several industrial and research fields have been described. Particular attention is given to the eddy current testing and the technical improvement obtained using SQUID in NDE. The attention has been focused on two particular application, that are the main topics of this thesis. The first concerns with the investigation of the damage due to impact loading on the composites materials, and the second is the study of the corrosion process on the metallic surface. The electrical and mechanical properties of the tested advanced composite materials, such as Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRPs) and Fiber-glass Aluminium (FGA) laminates are investigated. The experimental results concern the non-destructive evaluation of impact loading on the CFRPs and FGA composites, by means of the electromagnetic techniques; the investigation of the electromechanical effect in the CFRPs using the SQUID based prototype and the AFM analyses; and the study of corrosion activity of the metallic surface using magnetic field measurement

Characterization and compact modeling of printed electrolyte-gated thin film transistors and circuits

Die Herstellung konventioneller Elektronik ist ein hochkomplexer Prozess, der hohe Kosten erfordert. In diesem Zusammenhang gewinne die gedruckte Elektronik sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie eine erhöhte Aufmerksamkeit. Der Hauptgrund dafür ist die Vereinfachung des Herstellungsprozesses durch additive Drucktechnologien wie Inkjet-Druck. Dies hat Vorteile wie die bedarfsgerechte Herstellung und minimaler Materialverbrauch. Außerdem wird eine vielfältige Auswahl verschiedener Substratmaterialien ermöglicht. Im Zentrum der Entwicklung von Schaltungen auf Basis gedruckter Elektronik stehen gedruckte Transistoren. In letzter Zeit sind Metalloxidhalbleiter wie Indiumoxid aufgrund ihrer hohen Ladungsbeweglichkeit zu vielversprechenden Materialien für die Herstellung gedruckter elektronischer Bauelemente geworden. Darüber hinaus bietet der Elektrolyt-Gate-Ansatz aufgrund der großen Gate-Kapazität, die durch die elektrischen Doppelschichten bereitgestellt wird, auch die Vorteile, einen Niederspannungsbetrieb im Sub-1 V-Bereich zu erreichen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung gedruckter Bauteile und Schaltungen in Nischenanwendungen. Um das Design und die Herstellung von gedruckten Schaltungen zu erleichtern, ist die Entwicklung kompakter Modelle erforderlich. Die meisten existierenden Arbeiten haben sich bisher auf die Untersuchung des statischen Verhaltens von Transistoren konzentriert. Hierbei wird das dynamische und das Rauschverhalten der Bauteile häufig vernachlässigt. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die umfassende Untersuchung der Kapazitäts sowie Rauscheigenschaften Tintenstrahl-gedruckter Dünnschichttransistoren mit einem flüssig-prozessierbaren Feststoffelektrolyten als Isolator (EGT) und einem Indiumoxid-Halbleiter als Kanalmaterial durchzuführen.. Es werden geeignete Modellierungsansätze vorgeschlagen, um das elektrische Verhalten genau zu erfassen. Dies ermöglicht eine erweiterte Analyse analoger, digitaler sowie gemischter analog-digitaler Schaltungen. In dieser Arbeit wird die Kapazität von EGTs mittels spannungsabhängiger Impedanzspektroskopie charakterisiert. Intrinsische und extrinsische Effekte werden durch Verwendung von De-Embedding-Teststrukturen getrennt. Des Weiteren wird ein Ersatzschaltbild erstellt, um genaue Simulationen des gemessenen Frequenzgangs der Gate-Impedanz zu ermöglichen. Auf dieser Grundlage zeigt sich, dass Top-Gate EGTs das Potenzial haben, eine Schaltfrequenz im kHz-Bereich zu erreichen, wenn die Materialien und der Druckprozess weiter optimiert werden. Darüber hinaus wird ein Meyer-ähnliches Modell vorgeschlagen, um die Kapazitäts-Spannungs-Eigenschaften der Anschlusskapazität genau zu erfassen. Es werden sowohl parasitäre Kapazitäten als auch nicht-quasistatische Effekte berücksichtigt. Die resultierenden Modelle ermöglichen weitere AC- und transiente Simulationen komplexer Schaltungen in der EGT-Technologie. Im Folgenden werden Untersuchungen zu den Rauscheigenschaften gedruckter EGTs durchgeführt. Das Niederfrequenzrauschen wird anhand eines eigens dafür optimierten Versuchsaufbaus charakterisiert. Durch Untersuchung der gemessenen Rauschspektren im Transistor-Drainstrom bei verschiedenen Gate-Spannungen wurde die Ladungsträgerschwankung mit korrelierter Mobilitätsschwankung als primärer Rauschmechanismus bestimmt. Auf dieser Grundlage kann das normalisierte Flachband-Spannungsrauschen als Hauptleistungsmetrik berechnet werden, was im Vergleich zu anderen Dünnschichttechnologien, die auf Dielektrika und Halbleitern wie IZO und IGZO basieren, einen erheblich niedrigeren Wert aufweist.. Ein plausibler Grund könnte die große Gate-Kapazität sein, die durch die elektrische Doppelschicht erzeugt wird. Daher eigenen sich gedruckte EGTs für beispielsweise rauscharme Anwendungen in der Sensorik. Abschließend werden verschiedene Schaltungsdesigns vorgeschlagen, die auf EGT-Technologie basieren. Dies beinhaltet grundlegende digitale Schaltungen wie Inverter Strukturen und Ringoszillatoren. Ihre Leistungsmetriken, einschließlich der Gatterlaufzeit und dem Stromverbrauch, werden ausführlich charakterisiert. Des Weiteren wird das erste Design eines gedruckten Brückengleichrichters unter Verwendung von EGTs mit eine nahe-null-Volt-Schwellspannung in einer Dioden-Konfiguration vorgestellt. Der vorgestellte Gleichrichter ist in der Lage, Eingangsspannungen mit kleiner Amplitude von circa 100 mV effektiv zu verarbeiten. Dies ist besonders im Anwendungsbereich des Energy-Harvestings von Interesse. Zusätzlich werden die zuvor etablierten Kapazitätsmodelle auf diesen Schaltungen verifiziert. Ein Vergleich der Simulations- und Messdaten zeigt deren sehr gute Übereinstimmung und verifiziert die entwickelten Kapazitätsmodelle