Dissertations / Theses 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

Les commutateurs capacitifs MEMS RF présentent un intérêt connu dans le domaine des micro-ondes pour satisfaire de nombreuses applications (spatiales, téléphonie mobile). Ils permettent de rendre reconfigurable les modules hautes fréquences sans tous les inconvénients des composants actifs. Cependant, beaucoup de problèmes restent irrésolus: la fiabilité des diélectriques, la tenue en puissance et le rendement de fabrication. Le procédé technologique n'est pas assez optimisé pour obtenir des structures fonctionnelles avec de bonnes performances et reproductibilité. Le sujet de cette thèse traite de l'optimisation du procédé de fabrication des commutateurs RF capacitifs à tenue en puissance améliorée et de leur intégration dans un synthétiseur d'impédances pour des applications en bande K. La partie 1 montre le procédé de fabrication et ses principales améliorations. Des études sur la couche sacrificielle et sur la méthode de libération ont permis d'augmenter les performances RF et le rendement technologique. De plus, de nouveaux diélectriques ont été testés pour accroître la durée de vie des commutateurs. La relation entre la puissance appliquée et la température qu'elle génère est décrite dans le chapitre 2. Des caractérisations ont été réalisées pour comprendre les comportements mécaniques sous stress, qui peut être notamment provoqué par des mesures de puissance. Des solutions ont été trouvées et étudiées pour absorber ou prévenir les déformations sous un stress thermique. Enfin, toutes ces optimisations et études ont été appliquées à un tuner d'impédance. Sa topologie, sa fabrication et ses caractérisations constituent le dernier chapitre
Capacitive RF MicroElectroMechanical System switches present well-known interests in microwave field for a lot of applications (spatial, mobile phone). They may bring tunability to high frequency modules without all the drawbacks of active devices. However numerous problems remain unsolved like dielectric reliability, power handling and fabrication yield which slow down the industrialisation of such components. Efforts have already been done on the design, the dielectric reliability and the technological process. This last-one is not enough improved to obtain functional structures with enhanced performances and reproducibility. The purpose of this thesis work deals with the optimization of the fabrication process of capacitive RF switches with enhanced power handling and their integration in an impedance tuner for K band applications. The first section shows the fabrication process and its principal improvements. Studies on sacrificial layer and releasing method permitted to increase the RF performances and the technological yield. Moreover, new dielectrics have been investigated in order to get better switch life time. The relation between the applied power and the generated temperature is described in the second chapter. Thermal characterizations have been performed to understand the mechanical behaviours under stress. Thanks to infra-red camera, the overheating due to power has been determined. Solutions have been found and studied to absorb or prevent deformations under thermal stress. Finally, all these improvements and studies have been applied to a circuit: an impedance tuner. Its design, fabrication and characterization constitute the final chapter of this manuscript

Les Micro Systèmes Electro Mécaniques Radio-Fréquences (MEMS RF) bouleversent le paysage de la microélectronique, en laissant entrevoir des possibilités vertigineuses : exceptionnelles performances hyperfréquences, grande linéarité et faible consommation. Malgré ces avantages indéniables, la mise sur le marché de composants à base de MEMS RF est freinée par leurs manques de maturités au niveau du flot de conception, de la mise en boîtier (packaging) et de la fiabilité. Dans ce contexte, ces travaux de thèse ont porté sur l’étude théorique et expérimentale des techniques d’assemblage et de mise en boîtier pour l’intégration de micro-commutateurs RF opérant en bande X (10 GHz). Après une description des techniques de mise en boîtier suivie d’une analyse fonctionnelle, nous mettons en évidence une solution d’assemblage par report d’un capot avec un scellement en polymère. Afin de répondre aux enjeux de conception, nous avons identifié un besoin de modélisation à partir de logiciels de simulation éléments finis (EF) multi-physique, permettant de générer des macro-modèles comportementaux. Ainsi, nous discutons des possibilités offertes par deux logiciels EF réellement multi-physique : ANSYS et COMSOL. Finalement, nous proposons une solution (boîtier micro-usiné en Foturan et scellement en polymère BCB) compatible avec les possibilités technologiques, les contraintes dimensionnelles en terme d’encombrement, le respect des performances RF et la résistance mécanique. Cette solution a débouchée sur la réalisation et la caractérisation électrique d’un démonstrateur, montrant une très faible atténuation générée par le packaging, moins de 0. 05 dB de pertes à 10 GHz. De ce fait, nous avons pu valider une technique simple de packaging quasi-hermétique, adaptée au micro-commutateurs RF
Radio-Frequency Micro-Electro-Mechanical Systems (RF MEMS) are highly miniaturized devices intended to switch, modulate, filter or tune electrical signals from DC to microwave frequencies. RF Mems switches are characterized by their high isolation, low insertion loss, large bandwith and by their unparalleled signal linearity. Despite these benefits, RF Mems switches are not yet seen in commercial products because of reliability issues, limits in signal power handling and question in packaging. In this context, we put in evidence, a near hermetic packaging based on a micro-machined cap in Foturan sealed onto a photopatternable polymer Benzo-Cyclo-Butene (BCB) as a solution adapted to micro-switches RF. To answer the stakes in conception, we identified needs in multiphysics modelling able to generate behavioural macro-models. Finally, a demonstrator was characterised in terms of return and insertion losses measurements, which assures insignificant impact of the package on the RF losses

Les futures architectures des systèmes de communication présenteront une forte complexité due à des besoins de reconfiguration à la fois en termes de fréquence, de puissance émise et/ou reçue, de puissance consommée et de fiabilité. Une solution consiste à utiliser les MEMS RF pour obtenir ces fonctionnalités augmentées. Ces composants seront soumis à des agressions à la fois électrostatiques et/ou électromagnétiques dont il est important d'analyser et de comprendre leur impact. D'autre part la tenue en puissance de ces composants est un paramètre qualitatif de leur robustesse. Étant donné qu'ils présentent également des intérêts pour les applications spatiales, il est important de comprendre leur sensibilité face au rayonnement. Le sujet de thèse vise à analyser l'impact de ces agressions sur les paramètres fonctionnels (tensions d'actionnements, vitesse de fonctionnement, pertes d'insertion et isolation) à partir du développement d'une plateforme appropriée ainsi qu'une analyse fine des mécanismes de dégradation apparaissant suite aux stress appliqués ; tension continu, décharges électrostatiques (de type HBM ou TLP), puissance RF et rayonnement. Ces stress seront appliqués sur des composants aux architectures différentes (types de diélectrique différentes, épaisseur membrane, géométrie des dispositifs, topologie des zones d'actionnement) afin de déterminer si certaines architectures et ou filières technologiques sont plus résistantes que d'autres. Enfin, afin de valider ces travaux, il sera conçu un design plus complexe présentant des résistances aux ESD/EMI améliorées et un circuit de vieillissement de ces composants sera également proposé. Ce projet de thèse rentre dans le cadre d'un réseau d'excellence AMICOM sur les microsystèmes RF où la fiabilité a été identifiée comme étant un des enjeux majeurs pour leur intégration et commercialisation.

Le monoide de commutation constitue un rpolongement du monoide libre. Cette structure algebrique dont les elements sont appeles des traces constitue un modele pour l'etude du parallelisme. Trois types de questions sont abordes: la reconnaissabilite d'ensembles de traces, l'approximation des traces et les proprietes de confluence et de terminaison des systemes de reecriture associes a des commutations

L'optimisation des performances des composants electroniques ou circuits electriques necessite de connaitre le plus precisement possible les parametres internes de ces composants, ainsi que leurs valeurs moyennes et ecarts statistiques; et ceci dans le but d'optimiser la reponse de ces circuits electriques aussi bien en regime lineaire qu'en regime de commutation (electronique numerique et electronique industrielle). Nous proposons donc des techniques d'extraction des parametres electriques de diodes et transistors, pour completer les feuilles de caracteristiques (data) des composants electroniques (approche cao-circuits a composants discrets). Ces methodes de caracterisation des parametres technologiques sont axees sur les modeles non lineaires, inertiels, de diodes et transistors bipolaires

Depuis les dix dernières années, dans les domaines liés aux transports (automobile, avionique, ferroviaire, naval), les technologies thermiques et hydrauliques tendent à laisser de plus en plus de place aux systèmes électriques. L’intérêt et le dynamisme de la Recherche en électronique de puissance se justifient par le rôle déterminant que la discipline joue au sein du développement des systèmes embarqués "plus électriques". Ce mémoire de thèse s’intéresse à l’étude de convertisseurs d’électronique de puissance, les onduleurs à source impédante, en tant que topologies alternatives aux architectures existantes au sein des systèmes de traction électrique. Plusieurs études sont établies suivant différents critères, qui, au delà d’une simple comparaison avec les architectures conventionnelles, proposent des solutions et des améliorations intervenant aussi bien dans le contrôle du système que dans sa topologie initiale. Ces études sont toutes appliquées à un système de traction électrique muni d’une machine synchrone à aimants et d’un onduleur à source impédante alimentée par une source de tension continue. Les résultats qui en découlent ont montré de larges intérêts de ces topologies concernant la maîtrise de la qualité du courant de batterie (annulation de ses ondulations hautes fréquences) mais aussi la maîtrise de certaines contraintes liées aux vieillissement des machines (possibilité de maîtriser les dv/dt). Certains inconvénients sont néanmoins établis comme le fait que la topologie n’offre guère d’amélioration du rendement (en comparaison avec les structures classiques) ou comme le fait que l’architecture rende dépendantes les commandes de l’onduleur à source impédante (côté DC) et de la machine (côté AC)
Over the past ten years, hydraulic and thermal technologies tend to make room for electrical system. Fields related to transportation (automotive, avionics, railway or naval) are directly impacted. The interest and dynamism in power electronics Research are justified by the impact of such a field in the development of embedded systems. This thesis focuses on the study of impedance-source inverters as possible topologies to replace conventional ones. Several studies are conducted according to different criteria and do not aim at only comparing the topologies. It proposes solutions and improvements in the control system as well as in its basis architecture. These studies are all applied to an electric traction system composed of an synchronous machine fed by an impedance-source inverter. It is showed that large interests come out of the obtained results. For instance, the cancellation of the high-frequency current ripples allows mastering the quality of the battery current. Moreover, some constraints as regards machine ageing can be reduced by mastering the slew rates dv/dt. Some drawbacks are nevertheless pointed out. There is no need in using such a topology to improve efficiency that is above the same as conventional structures. Moreover, controls of DC-side AC-side of the system are dependent due to the fact that inverter’s control is used to step up the DC-bus voltage

Ce travail concerne les actionneurs a aimants permanents et electronique integree pour des applications de large diffusion comme l'automobile. L'etude presentee porte plus particulierement sur les moteurs a aimants permanents, sans pieces polaires, alimentes par des courants rectangulaires au moyen d'un onduleur de tension controle en courant. Il est montre que ces structures de moteurs peuvent repondre aux exigences des applications precedentes, en minimisant le nombre de composants de puissance et de capteurs pour simplifier l'integration de l'electronique. Plusieurs types d'alimentations par onduleur a nombre de composants reduits et de structures de machines sont etudiees et comparees pour degager des criteres de choix suivant l'application visee. Une technique particuliere d'autopilotage sans capteurs de position rotorique est egalement presentee. Une demarche de conception d'actionneurs a aimants permanents et commutation electronique est proposee et materialisee par la mise en place d'outils de cao. Cette procedure permet de definir les fonctionnalites de l'actionneur, de projeter son dimensionnement et de proceder a son experimentation simulee avant de lancer sa realisation. Elle est ainsi appliquee a la conception d'un motoventilateur de refroidissement principal dont la realisation et les essais permettent de valider et de critiquer les methodes et les outils utilises pour la conception et la simulation

Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit ont porté sur l'utilisation de composants MEMS RF pour réaliser des circuits hyperfréquences et millimètriques. Ces composants ont ainsi été utilisés d'une part, pour la réalisation de fonctions de commutation et d'autre part, intégrés à des composants «classiques» hyperfréquences, résonateurs et filtres, afin d'obtenir des circuits agiles en fréquences. Plusieurs circuits sont ainsi présentés, commutateurs capacitifs faibles pertes pour une application en bande Ka, commutateurs capacitifs de puissance pour les radars et enfin filtres et résonateurs accordables. Une étude particulière a été menée afin de réaliser des circuits accordables hyperfréquences en technologie micro ruban. Les résultats de mesures obtenus sur un filtre deux pôles accordable par quatre varactors micro électromécaniques démontrent le potentiel des composants MEMS RF à permettre d'obtenir des circuits accordables à fort coefficient de qualité
This work presents MEMS component applications for radio frequency and millimeter wave circuits. These components have been used for the realization of switch functions and also integrated to "classic" RF circuits, resonators and filters, in order to obtain frequency tunable circuits. Several circuits have been presented, low loss capacitive switches in Ka band, capacitive switches for high power applications and finally tunable resonators and filters. A particular study has been made so as to demonstrate microstrip tunable circuits. The measurements obtained on a two pole tunable filter using four MEMS variable capacitors show the potential of micro electromechanical components to realize high quality factor circuits

Le travail présenté dans ce mémoire consiste à proposer des nouvelles stratégies de pilotage de l’onduleur triphasé à deux niveaux en environnement embarqué afin de réduire les perturbations conduites générées sur le bus continu et de réduire les pertes par commutation dans les interrupteurs. En effet, avec les contraintes d’encombrement et de poids, les inductances de lissage ne sont pas autorisées sur les systèmes électriques embarqués. Les seuls degrés de liberté pour réduire les perturbations conduites sur le bus continu sont les condensateurs de découplage et la commande de l’onduleur. Or, les condensateurs de découplage sont une source de défaillance récurrente : leur durée de vie dépend de la valeur efficace du courant absorbé. Par conséquent, de nouvelles stratégies MLI sont proposées afin de réduire le courant efficace dans les condensateurs de découplage et de réduire les pertes par commutation. La réduction du courant efficace dans les condensateurs de découplage induit par ailleurs une réduction de l’ondulation de la tension du bus continu. Pour cela, les techniques MLI (Modulation de Largeur d’Impulsions) appliquées sont basées sur l’utilisation de deux vecteurs actifs non adjacents (le cas des faibles amplitudes des tensions de consigne) ou trois vecteurs actifs consécutifs (le cas des fortes amplitudes des tensions de consigne) pendant chaque période de découpage. Les résultats analytiques ont montré que les nouvelles stratégies proposées permettent une réduction jusqu’à 40 % de la valeur efficace du courant dans les condensateurs de découplage, ainsi qu’une réduction jusqu’à 50 % des pertes par commutation. Les résultats sur banc d’essai ont confirmé ces résultats théoriques. En outre, les expérimentations ont démontré l’implantabilité de ces nouvelles stratégies sur DSP pour les applications en temps réel
This thesis presents new PWM strategies for embedded two-level voltage source inverter in order to reduce the conduction perturbations on DC link and switching losses. Indeed, passive filters are not allowed on embedded electric system due to their size and weight. In order to absorb conduction perturbations on DC link, two degrees of freedom are : DC link capacitors and the inverter’s controlling strategies. However, DC link capacitors are a recurrent fault source: their life span depends on the RMS value of the absorbed current. Hence, in this thesis, we are proposing two new PWM strategies to reduce the RMS value of DC link capacitors’ absorbed current and to reduce the switching losses. A reduction in DC link capacitors’ RMS current value also lead to a reduction of DC link voltage ripple. In order to do that, the proposed PWM (Pulse Width Modulation) techniques base on utilizing 2 non adjacent active vectors (for low reference voltage’s amplitude) or by utilizing 3 consecutive active vectors (for high reference voltage’s amplitude) at each switching period. Analytical results show the effectiveness of these strategies compared to that of Space Vector PWM Strategy SVPWM in terms of RMS value for DC link capacitor current and in terms of switching losses. Experimental results confirm their effectiveness. Moreover, it is shown that these new strategies can be implemented on DSP for real time applications

Ces travaux portent sur la commande et l’analyse de la stabilité d’un système électropneumatique constitué d’un axe linéaire commandé par deux servodistributeurs régulant le débit massique entrant dans chaque chambre de l’actionneur. La problématique générale est motivée par l’apparition d’un phénomène de redécollage sur ce système électropneumatique difficilement pris en compte par les études actuelles en automatique. Ce problème, rencontré depuis de nombreuses années, concerne toutes les commandes linéaires et non linéaires mono et multidimensionnelles étudiées au laboratoire. Il se traduit par des mouvements saccadés du vérin au voisinage de l’équilibre. Ce phénomène est dû à la présence de frottements secs et aux dynamiques des pressions dans les chambres pneumatiques de l’actionneur, qui continuent à évoluer (intégrer le débit massique entrant délivré par les servodistributeurs), même après l’équilibre mécanique. La première partie de ce mémoire propose une commande non linéaire commutée afin d’éviter le phénomène de redécollage de l’actionneur électropneumatique notamment vis-à-vis des variations de frottements secs qui peuvent à tout moment causer ce phénomène. Cette technique est finalement mise en œuvre et son efficacité est constatée. La plus grande partie de ce mémoire traite l’analyse de l’actionneur électropneumatique avec sa loi de commande commutée. La présence de frottements secs et l’application d’une loi de commande commutée nous a amené à concilier une démarche d’analyse de stabilité, en considérant une classe de systèmes commutés appelée systèmes affines par morceaux. La principale difficulté de cette démarche réside dans l’obtention de fonctions de Lyapunov adéquates, qui se transforme en un problème d’optimisation sous contraintes LMI (Linear Matrix Inequality) en utilisant la S-procédure. Afin d’analyser la stabilité d’un système PWA (PieceWise Affine), la première démarche proposée permet le calcul d’une fonction de Lyapunov quadratique par morceaux sous la forme d’un problème d’optimisation sous contraintes LMI, en imposant des conditions suffisantes de stabilité. Ces dernières permettent, contrairement aux méthodes classiques, d’assurer la convergence de trajectoires d’état non pas vers un point d’équilibre, mais vers un ensemble des points d’équilibre d’un système PWA. L’approche proposée permet aussi l’étude de la robustesse vis-à-vis des variations paramétriques dans le système. Nous proposons aussi une deuxième approche pour la construction d’un type de fonctions de Lyapunov dites polynomiales par morceaux, via l’utilisation des "sum of square" et de la "power transformation", afin d’analyser la stabilité d’un ensemble de points d’équilibre d’un système PWA, en présence de phénomènes de glissement et de variations paramétriques. Cette approche propose des conditions suffisantes moins conservatives que celles imposées par les fonctions de Lyapunov quadratique par morceaux. En effet, sur des exemples de systèmes PWA présentant de dynamiques discontinues sur les frontières entre les cellules, pouvant générer à tout moment des phénomènes de glissement, ces dernières s’avèrent inefficaces et ne permettent pas d’assurer la stabilité des systèmes PWA en présence de ces phénomènes. Par conséquent, les résultats sur la fonction de Lyapunov quadratique par morceaux sont étendus pour pouvoir calculer des fonctions de Lyapunov polynomiales par morceaux d’ordre supérieur, en résolvant un problème d’optimisation sous contraintes LMI. Ces dernières permettent de garantir des conditions plus générales et moins conservatives par rapport à celles développées dans la littérature. Ces deux approches ont été appliquées afin d’analyser la stabilité de l’ensemble des points d’équilibre du système électropneumatique, en considérant à la fois un modèle de frottements sous la forme d’une saturation et un autre sous la forme d’un relais présentant une dynamique discontinue. [...]
This work focuses on the control and stability analysis of an electro-pneumatic system, i.e. a linear pneumatic cylinder controlled by two servo valves regulating the mass flow entering each chamber of the actuator. The general problem is motivated by the appearance of stick-slip on the electro-pneumatic system, hardly taken into account by the current studies in automatic control. This problem, encountered throughout the years, concerns all mono- and multidimensional linear and non-linear controls systems studied at the laboratory. In pneumatic cylinders, the phenomenon consists in a displacement of the rod a while after it has come to a rest ; this is due to the fact that the force acting on the rod initially becomes smaller that the threshold which is necessary for a motion, and then this threshold is overcome later on. In this case, stick-slip is caused by the presence of dry friction and by the pressure dynamics in the chambers, which continue to evolve (integrating the net incoming mass flow from the servovalves) even after the rod has stopped. The first part of this thesis proposes a nonlinear switching control law in order to avoid stick-slip on pneumatic cylinder, taking into account with the variations of dry friction that may occur at any time causing this phenomenon. This technique is implemented and its effectiveness is recognized. The greatest part of this thesis deals with the stability analysis of the pneumatic cylinder with its switched control law. The presence of dry friction and the application of a switched control law requires an appropriate method for approaching the stability analysis ; this method is based on considering the closed-loop system as belonging to a class of switched systems called piecewise affine systems (PWA). The main difficulty in this approach lies in obtaining adequate Lyapunov functions for proving stability, which turns into an optimization problem under LMI constraints (Linear Matrix Inequality) using the S-procedure. In order to analyze the stability of a PWA system, a first method is proposed allowing the computation of a piecewise quadratic Lyapunov function through an optimization problem under LMI constraints. The methods takes into account, in contrast to conventional methods, that the states might converge not to a single point but to a set of equilibrium points. The proposed approach allows also the study of robustness with respect to parametric variations in the system. A second method is also proposed for the construction of a type of Lyapunov functions called piecewise polynomial, using the “sum of squares” and “power transformation” techniques. This approach proposes less conservative sufficient conditions than those imposed by the piecewise quadratic Lyapunov functions, yielding a more succesfull stability test when for PWA systems featuring sliding modes and parametric variations. In fact, on PWA systems with discontinuous dynamics (which can generate sliding phenomena), piecewise quadratic Lyapunov functions might prove ineffective to prove the stability. Therefore, the results on piecewise quadratic Lyapunov functions are extended in order to compute piecewise polynomial Lyapunov functions of higher order, by solving an optimization problem under LMI constraints. These functions are more general and allow less conservative conditions compared to those formerly developed in the literature. Both of these methods have been applied to the stability analysis of the set of equilibrium points of the pneumatic cylinder, considering first a friction model in saturation form and then a model in relay form with a discontinuous dynamics. The application of the methods is successful, i.e. the robust stability is proven under dry friction threshold variations, with possibility of sliding modes

Les filtres integres a capacites commutees a reponse impulsionnelle finie sont etudies, avec l'accent sur une classe originale: les filtres multiphases bases sur la ligne a retard analogique a entrees multiples. Le calcul des coefficients, la classification des architectures possibles, les effets parasites, la realisation de prototypes integres monolithiques et leur test sont traites. L'etude demontre la faisabilite de tels filtres

L'intérêt pour les antennes multi-bandes ne fait que croître, en particulier dans le but de réduire le nombre d'antennes bord et sol en associant plusieurs applications sur une même antenne. La plupart des antennes multi-bandes publiées dans la littérature présentent des fréquences de fonctionnement corrélées et par conséquent les rapports entre ces fréquences ne sont pas indépendants et aisément contrôlables. De plus, aux différentes fréquences de fonctionnement, les diagrammes de rayonnement de ces antennes sont souvent peu semblables et difficilement modifiables. Dans ce contexte, une nouvelle topologie d'antennes multi-bandes possédant des rapports de fréquences de résonance indépendants et aisément ajustables est proposée. Le dimensionnement simple des éléments rayonnants de cette antenne lui confère l'avantage d'être flexible, c'est à dire qu'elle peut être facilement modifiée pour satisfaire d'autres applications ou bandes de fréquences. L'antenne est constituée de quatre éléments rayonnants identiques imprimés sur les quatre faces d'une pyramide. Le fonctionnement multi-bande (ou reconfigurable) de l'antenne est obtenu à l'aide de trappes (ou d'interrupteurs radiofréquences (RF)). Le chargement original de l'antenne pyramidale par un guide d'onde sous coupure a permis la réduction voire le contrôle du rayonnement arrière. L'antenne rayonne une polarisation circulaire ou linéaire en fonction des différentes amplitudes et phases qui alimentent les quatre éléments. Une architecture originale de circuit d'alimentation permettant d'alimenter l'antenne pyramidale multi-bande pour l'obtention d'une diversité de polarisation circulaire (droite / gauche) est également décrite. Enfin, des applications en radionavigation et en télémesure de l'antenne pyramidale multi-bande incluant des simulations électromagnétiques et des mesures ont permis la validation du concept proposé.