www.thalesgroup.com AREMIF «Conception d une capacité variable MEMS originale fonctionnant en rotation» Thales Systèmes Aéroportés OHTA Pierre Nicole (encadrant de thèse) ESYCOM ESIEE Paris Gaëlle Lissorgues (directrice de thèse) Julien Pagazani
2 / Sujet de thèse Thèse CIFRE entre Thales Systèmes Aéroportés et ESYCOM ESIEE Paris Objectif : Réalisation de blocs RF d une architecture de transmetteur à base de composants MEMS Sujet de thèse : Transposeurs intégrés Ultra Large Bande continûment accordables de 1 à 20 GHz, utilisant les technologies de silicium micro-usiné dans une perspective de consommation ultra-faible (quelques mw à 20 GHz) Conception et fabrication de composants MEMS utilisables dans un système de VCO et de mélangeur Mots clés : Ultra large Bande Ultra faible consommation Intégration
3 / Etat de l art : Capacités MEMS Avantages des MEMS : Grand rapport de variation (R >30 publiés) Large possibilité de conception Basse consommation (Electrostatique) Equation d une capacité à électrodes parallèles : Variation de Gap Utilisation de couche sacrificielle Limitations technologiques Stress des membranes S C = ε e Variation du Dielectrique µfluidique Performances RF? Cmin (pf) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Cmin function of Cmax 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Cmax (pf) Variation de Surface Utilisation des doigts interdigités pour l actionnement Grands déplacements possibles Raphaël Fritschi (2005) Seong-O Choi (2003) Jessica Bronson, and Irene Fassi (2008)
4 / RUN1 : Conception de la partie MEMS Description de la partie mécanique : 6 Comb-drives Bras de suspension : 2 internes et 2 externes Ancrage central pour assurer le mouvement de rotation 2 plots de polarisation 6 électrodes mobiles Avantages de la structure : Déplacement augmenté par le rayon de la structure (plus de 200µm) Faible sensibilité au vibration dans le plan du à la nature rotative de la structure 4
5 / RUN1 : simulation de la partie mécanique La partie mécanique a été simulée sur le logiciel CoventorWare 16 géométries ont été testées avec comme paramètres : Différents gaps entre les doigts des comb-drives (2 à 5µm) Différents diamètres de structures (750 à 1500µm) Grands déplacements jusqu à 200 µm
6 / RUN1 : conception de la partie RF 1 er Composant (260-520 ff) Capa1 & Capa3 2 ème Composant (50 100 ff) Capa2 & Capa4 Plots RF coplanaire Plots de polarisation DC Electrodes fixes 6
7 / RUN1 : simulation de la partie RF Association de la partie MEMS et de la partie RF Plots d accès RF_in/RF_out sur les electrodes fixes RF_floating point sur l électrode mobile Déplacement selon l axe θ Simulation théorique de la variation de capacité 4 configurations Ratio de capacité supérieur à 25 7
8 / RUN1 : Process & Fabrication Photo MEB de la géométrie B1 Photo MEB des doigts d un comb-drive de la géométrie B1
9 / RUN1 : caractérisation DC et RF des composants assemblés Mesure du déplacement pendant l actionnement Déplacement limité à cause de l effet de Pull-In Mesures avec pointes RF Capa_min2 C=519fF Fr=12.56GHz Capa_min4 C=386fF Fr=12.74GHz Capa_min1 C=333fF Fr=16.47GHz cgdmax C=628fF Fr=9.37GHz cgdmin C=528fF Fr=10.95GHz Publication à DTIP 2010 (Séville( ville) Revue Springer : Journal of Microsystem Technologies DOI: 10.1007/s00542-011 011-1226-x
10 / Etude de l effet de Pull-in Calculs : Force d attraction Rigidité des doigts en fonction des dimensions et du matériau En calculant les valeurs théoriques de pull-in, les paramètres physiques les plus critiques ont été déterminés afin de permettre d améliorer le déplacement des MEMS du RUN2
11 / RUN2 : conception de la partie MEMS Modifications : Ajout de deux comb-drives Ajout de deux électrodes mobiles Ajout d un contour non polarisé autour du MEMS Modifications de la structure des comb-drives Avantages de la structure : Augmentation de la force d attraction -> Réduction de la tension d actionnement Augmentation de la largeur des doigts ou du gap -> Reduction de l effet de pull-in
12 / RUN2 : simulation de la partie MEMS Configurations : Structure du RUN1 avec comme paramètres 2 et 3 µm RUN2 : Structure à largeur de doigt variable (pour améliorer la rigidité) Structure à gap variable (pour réduire l effet de pull-in) RUN2 avec largeur de doigt variable RUN2 avec gap variable
13 / RUN2 : fabrication de la partie MEMS 3 niveaux de masque Fabrication en cours
14 / RUN2 : conception de la partie RF Configurations : 4 configurations RF Capacités de 40 à 320 femtofarad Valeur initiale de la capacité et sens de variation configurable 8 capacités de 40fF 4 capacités de 80 ff 2 capacités de 160 ff 1 capacités de 320fF
15 / RUN2 : fabrication de la partie RF 4 niveaux de masque Fabrication terminée
16 / Projets en lien avec ces travaux E-CUBES : 3-D-integrated micro/nano modules for easily adapted applications Projet Européen 2006-2009 RFCSET : RF/Microwave Communication Subsystems for Emerging Wireless Technologies Projet COST IC0803 2008-2012 PARSIMO : System in Package Projet Européen FP7 2011-2014
17 / Conclusion Premier RUN conçu fabriqué et testé, avec un design de capacité variable original Etude des effets limitant le RUN1 et optimisation du design Conception et fabrication du RUN2 À venir : Caractérisation des composants du RUN2 Intégration des composants dans un oscillateur accordable Perspectives : Réalisation de cellules LC variables Réalisation de filtres accordables