Academic literature on the topic 'Commutation (électricité) – Systèmes microélectromécaniques'

Les travaux entrepris dans cette thèse s'inscrivent dans un projet de partenariat avec la fondation d'entreprise EADS. Ils ont pour but la fabrication d'un système antennaire incluant des éléments de base MEMS offrant une bonne tenue en puissance et pouvant démontrer que cette technologie est capable de fournir de bonnes performances et une fiabilité suffisante à des niveaux de puissancess de quelques Watts. Ce système antennaire est un réseau d'antennes dont le rayonnement va pouvoir être contrôlé électroniquement par le biais de déphaseurs MEMS. Les travaux effectués au cours de cette thèse se sont portés sur la conception et la réalisation de ces déphaseurs incluant des capacités commutables MEMS
The work done here are about research project made with the EADS Foundation. The aim is to realize an RF MEMS antenna system with a good power handling, showing the feasibility of MEMS technology for power applications (beyond 1 W). More particularity, this antenna system is an antenna array where beamforming solution is achieved by RF MEMS phase shifters. During this thesis, phase shifters composed of MEMS switched capacitors have been designed, realized and tested

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont axés sur la caractérisation et l’analyse des mécanismes de défaillances qui apparaissent dans une nouvelle famille de composants microondes : les MEMS-RF (Systèmes Micro-Electro-Mécanique RadioFréquence). Si ces composants ont rapidement suscité beaucoup d’espoirs pour résoudre un grand nombre de verrous concernant les nouvelles architectures de communication, il est apparu que la fiabilité de ces composants a énormément ralenti leur développement industriel. De plus, ces micro-commutateurs résultent d’un couplage multi-physique qui a ajouté une forte complexité et une difficulté de compréhension de leur fonctionnement et donc leur fiabilité. Actuellement, de nombreux et intenses efforts sont réalisés par la communauté scientifique (universitaire et industrielle), car ce sujet reste ouvert à de nombreuses questions et problèmes non résolues. Ce document se propose d’apporter une contribution sur ce sujet à la fois sur le plan expérimental, théorique et technologique
The work presented in this manuscript focus on the characterization and analysis of failure mechanisms that appear in a new family of microwave components and RF MEMS (RadioFrequency Micro-Electro-Mechanical Systems). If these components have quickly attracted a lot of hopes to solve a large number of locks on new communication architectures, it appeared that the reliability of these components has greatly slowed their industrial development. Moreover, these micro-switches result from a multi-physics coupling which added a high complexity and difficulty of understanding how they work and thus their reliability. Currently, numerous and intense efforts are made by the scientific community (university and industry), as this issue was left open many questions and unresolved problems. This thesis aims to contribute on this area, both on experimental, theoretical and technological plans

Les travaux de doctorat présentés dans ce manuscrit ont contribués au développement de nouvelles topologies de circuits microondes reconfigurables mettant à profit le potentiel de la technologie MEMS (Micro Systems électromécaniques). Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet européen SMARTIS axé surtout par la recherche des solutions basées sur des commutateurs MEMS RF à contact ohmique. Nous nous sommes intéressés dans un premier temps par la partie concernant le routage et la commutation du signal dans un system RF. Le principe proposé est basé sur l'amélioration de la fiabilité du système en jouant sur son architecture. Une étude des principaux phénomènes de défaillance était menée pour répondre à cette problématique. Ensuite, à partir de la brique de base aboutie, autres fonctions de commutation et des matrices plus complexes ont été conçues, testées et présentées. Les structures abouties sont relativement performantes et plus attractives que celles réalisées à base de semi-conducteurs. Ainsi, pour un DPDT conçu, nous avons mesuré, sur des structures préliminaires, une isolation meilleure que 42 dB et des pertes d'insertion meilleures que 0. 7 dB sur les différentes voies de transmission de la structure. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons par le développement d'un micro-boitier opérant en bande Ka pour l'encapsulation de micro-commutateur MEMS RF ou des fonctions de commutation à base des MEMS RF, La technique de packaging proposée est basée sur un report de capot avec une couche intermédiaire métallique de scellement, cela est une méthode simple à mettre en œuvre, et qui peut être réalisable de manière collective
The work of thesis described in this manuscript has contributed in the development of new reconfigurable microwave circuits topologies benefiting from the strong potential of MEMS technology. This work is a part of the SMARTIS European project which focused on seeking for solutions based on RF MEMS ohmic contact switches. In the first section, we were interested by the part concerning signal routing and switching in RF systems. The proposed switching solution is based on improving system reliability, by playing on its architecture. A study of major failure events was presented in order to respond to this issue. Then, from the developed switching base brick, other switching functions and more complex matrix have been designed, tested and presented. The resulted structures are relatively efficient and more attractive than those made based on semiconductors. Thus, for a DPDT designed, we measured, on preliminary structures, isolation better than 42 dB and insertion loss of better than 0. 7 dB for all transmission paths of the structure. In a second section, we were interested in the development of a Ka-band micro-package destined for the encapsulation of RF MEMS based switching functions developed lately in this manuscript. The proposed wafer level packaging technique is based on the report of two wafer layers with an intermediate seal metal layer, it is a relatively simple method to implement, and it can be achieved in a collective way

Les travaux de thèse ont porté sur la conception et la fabrication d'une micro amorce sécurisée. L'innovation de ce travail, outre le fait d'intégrer tous les éléments d'une amorce classique (détonateur, barrière mécanique, actionneur et sécurité) en technologie silicium, se situe à deux niveaux : - Il propose d'intégrer un actionneur pyrotechnique qui requiert peu d'énergie électrique pour déplacer un écran mécanique servant à bloquer la chaîne pyrotechnique avant l'armement. Aucun autre type d'actionnement ne pourrait remplir cette fonction avec les contraintes énergétiques imposées par l'intégration sur silicium. - Il intègre, autour de la fonction principale, des interrupteurs mono-coups (ON-OFF et OFF-ON) totalement compatibles avec le détonateur car ils sont basés sur la même brique technologique que ce dernier (résistance chauffante sur une membrane SiO2/SiNx) et qui assurent les sécurités électriques. Le détonateur et l'actionneur pyrotechnique nécessitent 635mW pour initier l'explosif placé directement au contact de la résistance chauffante. L'initiation se fait en 36ms. Les différentes fonctions sécuritaires sont assurées par des interrupteurs mono-coups que nous avons développés : - L'interrupteur ON-OFF nécessite 500mW pendant 1,5s pour sectionner une piste qui passe sur la résistance chauffante. - L'interrupteur OFF-ON, en réalisant une micro-brasure entre deux pistes à connecter nécessite une puissance minimale de 160mW pour commuter l'interrupteur en 443ms. Grâce à ces innovations, nous avons fabriqué un démonstrateur de micro amorce sécurisée de volume inférieur à 1cm3 sans l'alimentation et nous avons validé expérimentalement le bon fonctionnement du dispositif
The work of this PhD thesis concerns the conception and the fabrication of a Safe Arm and Fire (SAF) fuze. The innovation of this work, in addition to the fact that it integrates all the traditional fuze elements (detonator, mechanical barrier, actuator and safety) in silicon technology, is set at two levels: - It proposes to integrate a pyrotechnical actuator which requires a few of electrical energy to move a mechanical screen being used to block the pyrotechnical chain just before the armament. No other actuation type could fulfill this function with the energy constraints imposed by the silicon integration. - It integrates, around the main function, one-shot switches (ON-OFF and OFF-ON) completely compatible with the detonator because they are based on the same technological brick (a resistive heater on a SiO2/SiNx membrane) and which ensure the electric safeties. The detonator and the pyrotechnical actuator require 635mW to initiate the explosive placed directly in contact with the resistive heater. Initiation is done in 36ms. The various security functions are provided by one-shot switches that we developed: - The ON-OFF microswitch requires 500mW during 1,5s to divide a track which passes on the resistive heater. - The OFF-ON microswitch, by carrying out a locally micro-soldering between two insulated electrical tracks, requires a minimum power of 160mW to commute the switch in 443ms. Thanks to these innovations, we fabricated a safe micro fuze demonstrator, smaller than 1cm3 without the supply, and we experimentally validated the device good functioning

MEMS est un système électromécanique à l'échelle du micron comprenant des capteurs ainsi que des actionneurs (micro moteurs, micro miroirs, micro relais. . . ) fabriqués avec les techniques de la micro-électronique conventionnelle (croissance d'oxyde, dépôt de matériaux, lithographie). Les plupart des commutateurs RF MEMS sont actionnés à l'aide des forces électrostatique pour faire changer la distance entre deux électrodes pour couper ou transmettre le signal. Ce type d'actionnement, malgré ces avantages, il a un inconvénient majeur qu'il s'agit du chargement du diélectrique qui mène à l'échec de ce commutateur. Pour résoudre ce problème, on a travaillé en parallèle sur deux axes différents. Le premier axe s'agit de changer le type d'actionnement qui est la raison du chargement en actionnement piézoélectrique tandis que le deuxième consiste à garder l'actionnement électrostatique mais en améliorant le comportement des structures utilisées en augmentant la force de rappel pour surmonter le phénomène du collage sans changer la tension d'actionnement. Une étape a succédé ce travail qui s'agissait d'une validation de la plateforme numérique avant de l'utiliser à modéliser nos structures
MEMS are electromechanical system that have a micrometric scale including sensors as well as actuators (micro motor, micro mirrors, micro switches. . . ) manufactured using the conventional micro-electronics techniques (growth of oxide, material deposition, lithography). The majority of RF MEMS switches are actuated using the electrostatic forces to vary the distance between the two electrodes to cut or transmit the signal. This type of actuation, despite its advantages, has a major drawback which is the dielectric charging which leads to the failure of the switch. To solve this problem, we worked in parallel in two directions. The first direction consists of changing the type of actuation, which is the main reason for charging and failure, to piezoelectric while the second consists of keeping the electrostatic actuation while improving the behavior of the structures by increasing the restoring force used to overcome this charging phenomenon without increasing the actuation voltage. This work has succeeded a major step which is the numeric platform validation before using it to simulate the structure

La technologie MEMS pour les applications hyperfréquences, s'est développée depuis quelques années avec pour objectif d'améliorer les performances des circuits et dispositifs microondes. De nombreux composants ont été développés, démontrant alors une importante réduction des pertes et une plus grande linéarité que leurs principaux concurrents: les composants semi-conducteurs. Notre étude a porté donc sur la conception d'un micro-commutateur et son intégration dans des circuits microondes reconfigurables. Dans un premier temps, nous présentons dans le manuscrit un état de l'art de la technologie MEMS et des composants hyperfréquences qui en résultent. Le fonctionnement de commutateurs micromécaniques y est plus particulièrement étudié. Les principaux atouts et limitations sont également présentés avec quelques domaines d'application où ces composants peuvent contribuer à une amélioration de performances. La seconde partie de ces travaux est dédiée à la conception mécanique et électromagnétique d'un microcommutateur à contact ohmique. L'objectif de cette étude était de réaliser un composant fiable avec de bonnes performances. L'optimisation de ce composant y est présentée, validée par des performances mécaniques et électriques des dispositifs réalisés. La dernière partie de ces travaux concerne le développement de nouvelles topologies de circuits hyperfréquences reconfigurables équipés de micro-commutateurs à contact ohmique. Nous y présentons trois applications dont la conception de filtres passe-bande avec un accord discret sur une large plage de fréquences (20% et 44% d'accord). Nous montrons également comment maintenir les pertes de ces dispositifs à un faible niveau, en conservant les facteurs de qualité de ces composants reconfigurables à une valeur élevée
Since few years, the MEMS technology for microwave applications has grown up with the potential to improve the circuit and device performances. Several components have been designed and demonstrate an important reduction of loss and a higher linearity than their main counterparts: the semi-conductor components. This work investigates the MEMS switches design and their integration in tunable microwave systems. Thus, we first present a state of art of this MEMS technology and the MEMS microwave devices. The micromachined switches operation is investigated. The main advantages, drawbacks and some applications where these components could improve the performances are discussed. The second part of this work is dedicated to the mechanical and electromagnetical design of a DC contact switch. The main objective of this work was to realise a reliable component which present good performances. The switch optimisation is presented and discussed with the corresponding mechanical and electric measurements. The last part of this memory addresses the development of new switchable microwave circuit topology including DC contact micro relays. Three applications are discussed; some tunable filters are developed with a high tuning in frequency (22% for the first one and 44% for the other). We also present how to preserve the device losses to a low level, and keep high the quality factor of these systems

L'introduction des technologies MEMS ("Micro Electro Mechanical Systems") dans les modules hyperfréquences répond au besoin croissant en systèmes de communications intégrables, reconfigurables et présentant d'excellentes performances électriques jusqu'aux fréquences millimétriques. Le développement de nouvelles architectures intelligentes jusque là inaccessibles aux technologies traditionnelles est également envisageable grâce à ces composants. Cela dit, la conception multi-physique de ces circuits alliant des aspects électrostatiques, mécaniques et électromagnétiques reste difficile à mettre en œuvre et complique leur optimisation. De plus, peu de recherches se sont focalisées sur la tenue en puissance de ces composants, pourtant primordiale pour envisager leur intégration dans des chaînes d'émission radio fréquences. Nos travaux de thèse ont porté sur la conception et la caractérisation de micro-interrupteurs MEMS de puissance et de circuits hyperfréquences les intégrant et opérant en bande X (10GHz). Le premier chapitre présente une méthodologie multi-physique de conception de commutateurs MEMS RF électrostatiques à contact capacitif réalisés au Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes. Cette méthodologie, associée à une topologie optimale de micro-commutateurs, a permis un prototypage efficace de commutateurs MEMS et a été validée expérimentalement grâce à des structures montrant d'excellentes performances hyperfréquences. Le second chapitre s'intéresse à l'optimisation en puissance de commutateurs MEMS RF. Nous avons développé une méthodologie de prédiction de la puissance maximale de fonctionnement pour ces composants. Cette méthodologie a été ensuite utilisée pour l'optimisation en puissance du commutateur développé dans le chapitre 1. Un dimensionnement ainsi que l'ensemble des résultats de simulations sont présentés et validés expérimentalement. Enfin le dernier chapitre présente la mise en application des méthodologies décrites aux deux premiers chapitres pour la conception d'un circuit de commutation de puissance large bande 6-18 GHz basé sur des topologies série et parallèle d'interrupteurs MEMS. Les structures ont ainsi été optimisées, fabriquées et mesurées. Elles présentent d'excellentes performances RF sur une large gamme de fréquence
MEMS ("Micro Electro Mechanical Systems") technologies have been successfully introduced in the past decade in order to develop smart micro-systems exhibiting high integration level, new functionalities such as reconfigurability (to switch over different standards) or self repairing ability, and high electrical performances up to millimeterwave frequencies. Moreover, new system architectures can be implemented thanks to these devices, which demonstrate the potentialities of MEMS technologies in future wireless systems. In the meantime, their multi-physic design dealing with electrostatic, mechanical and electromagnetical concerns, translates into a long and complex optimization of the MEMS-based circuits slowing their industrial use. Moreover, few studies are available on the power handling capabilities of these components, which is the key parameter to improve their integration into front-end networks. Our work, made in LAAS-CNRS, concentrates on the design and characterisation of power RF-MEMS switches and their integration into a broadband single pole double throw circuit, for front-end duplexer operating in X band. The first chapter will be dedicated to a multi-physic design methodology for capacitive electrostaticaly actuated RF-MEMS switches design. This methodology, associated with an optimized topology, enables an efficient development of MEMS components and circuits. Demonstrators have been measured and demonstrate outstanding RF performances which validate the proposed methodology. The second part of this work points out the power optimization of RF MEMS switches. A power handling prediction methodology has been proposed and used to optimize the switch described in the first chapter. Simulations have been confirmed by measurements which validate our prediction method. The measured RF MEMS power handling demonstrates the ability of this technology to be used in front-end circuits and systems. Finally, the third chapter deals with an application using the methodologies described above: a broadband (6-18 GHz) power switching circuit for front-end duplexer. This circuit has been optimized, realized and characterized and exhibits state of the art microwave and power performances over a broad frequency band

Les commutateurs mécaniquement bistables présentés dans la littérature possèdent généralement un contact électrique de type latéral ; la métallisation de ce type de contact se heurte à de nombreuses difficultés. Ce travail présente un composant comportant un contact de type plan, gage d'une meilleure résistance électrique que les composants possédant un contact de type latéral dans la mesure où la métallisation y est plus aisée. Nous proposons une architecture de commutateur bistable, c'est-à-dire ne consommant pas d'énergie en position de fonctionnement, qui repose sur la mise en compression d'une poutre de silice par les contraintes résiduelles de ce matériau. Un système bistable est ainsi obtenu grâce au flambage de cette poutre par ces contraintes résiduelles. Un modèle analytique d'une poutre soumise à une contrainte axiale est développé. Il permet de relier les propriétés de la poutre (son module d'Young, son épaisseur, sa longueur et ses contraintes résiduelles) avec la force de contact d'une part et la longueur de la zone de bistabilité d'autre part. Une bonne adéquation est trouvée entre ce modèle analytique et un modèle éléments finis développé sous ANSYS. Pour fabriquer ce composant, nous avons développé et utilisé un procédé comportant neuf niveaux de photolithographie, et se déroulant sur une cinquantaine d'étapes technologiques. La mise en mouvement du composant se fait à l'aide d'actionneurs thermiques réalisés en inconel. La puissance mise en œuvre pour la transition de la position de stabilité du haut à celle du bas est de 235 mW, celle pour le passage de la position stable du bas à celle du haut nécessite 480 mW. Nous montrons dans ce travail la faisabilité technologique d'un switch MEMS mécaniquement bistable dont la fabrication repose sur les contraintes résiduelles des couches minces. Pour améliorer ces prototypes, nous proposons de travailler sur le système d'actionnement, et sur l'intégration du composant avec son packaging.

Les MEMS RF sont des composants clés pour le développement de nombreuses fonctions de systèmes hyperfréquences plus efficaces et plus compactes (déphaseurs, module transmission/réception, réseau d’antennes à déphasage, circuits reconfigurables, réseau d’adaptation …). Pour le développement des prochaines générations de systèmes RADAR, Thales s’intéresse notamment à l’intégration de MEMS RF capacitifs pour développer des fonctions reconfigurables pouvant supporter des puissances hyperfréquences de l’ordre de 30 W. Les travaux exposés dans ce manuscrit se sont concentrés sur l’étude de matériaux diélectriques et de techniques de dépôts pour identifier, intégrer et démontrer la viabilité de diélectriques prometteurs pour les MEMS RF capacitifs de puissance. Les aspects relatifs à la fabrication de ces composants ont également été étudiés, particulièrement l’impact de la maitrise des états de surface sur les performances, la tenue en puissance et la défaillance des dispositifs. En outre, ces travaux ont montrés qu’avec l’introduction des matériaux déposés par ALD, la tenue en puissance des MEMS RF capacitifs n’est plus limitée par le diélectrique. En intégrant ces matériaux ALD, l’architecture des dispositifs devient le facteur limitant la tenue en puissance, particulièrement l’épaisseur de la membrane et la configuration du commutateur. En perspectives, différentes architectures ont donc été développées et étudiées pour adresser ces limitations de tenue en puissance
RF MEMS are key components to improve the efficiency and size of numerous functions of microwave systems (Phase shifter, transmission/reception module, antennas array, reconfigurable systems, impedance matching…). To develop the next generation of RADAR systems, Thales takes special interest in the integration of capacitive RF MEMS devices to demonstrate reconfigurable functions with power handling capabilities up to 30 W. The work reported in this thesis did focus on the study of dielectric materials and deposition techniques to identify, integrate and demonstrate the advantages of promising dielectrics for capacitive RF MEMS power handling. The components fabrication aspects have also been studied, especially the impact of surface state quality on performances, power handling and devices failure mechanisms. Furthermore, this work did point out that with the integration of ALD material, power handling of capacitive RF MEMS is no longer limited by the capacitance dielectric. Furthermore, with the integration of ALD material the components design become the limiting factor for power handling, particularly the membrane thickness and the switch configuration. To open new prospects, several designs have been developed and studied to address these power handling limitations