Applications des MEMS en radar

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Jean-Claude Boudenot Thales Research Technology
MEMS et MOEMS
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Dimension typique
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Micro Nanoélectronique More than Moore
MtM se réfère aux technologies non scalable
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Micro Nanoélectronique More than Moore
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Packaging
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Packaging
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Accéléromètre AD-XL50 dAnalog Devices qui équipe
des systèmes dairbag pour automobile. Il est
composé dun capteur micro usiné disposé au
milieu de la puce et directement associé à
lélectronique nécessaire à son asservissement,
au traitement et à la conversion en signaux
électriques de laccélération détectée
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Adaptive optics increases peak intensity of a
point source
Lick Observatory
No AO
With AO
Intensity
With AO
No AO
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Neptune in infra-red light (1.65 microns)
With Keck adaptive optics
Without adaptive optics
2.3 arc sec
May 24, 1999
June 27, 1999
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 Lab on chip  cas de lélectrophorèse,
séparation(chromatographie assisté par champ
électrique)
Détection Détecteur absorptiométrique
UV-Vis Détecteur de fluorescence Spectromètrie
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µTAS Micro Total Analyser System
Canal d injection
Fibre de mesure
Canal de séparation
Réalisation LIGA
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Micro-fluidique pour bio-senseurs
immuno-enzymatiquesSPR, fluorescence, Absorption
UV, PBG

• Séparation par électrophorèse

• Micro fabrication par LIGA

Lentille de focalisation
Fibre optique entrante
Cannelure (incorporation de la fibre)
Micro canal 40µm de large

• Mesures de réactions chimique par fluorescence,
  SPR ou UV

Détection de molécule unique Exaltation
dabsorption et de fluorescence
IBM, Agilent (Burr et al., 2005)
Canon (Okamoto et al., PECS VI, 2005)
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Ultraviolet scanner to monitor lab on chips
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Ultraviolet scanner for DNA chips

• Absorption DNA with 500 / 5000 bases maximum
  absorption of 5 at 265 nm

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Notion de système
Technologie de conception dun système
électronique
ClassiqueBipolaireCMOSBiC MOS
Evoluéeintégration des MEMS
 Micromachining  ou Microsystèmes
Concept du Microsystème
Ex la micro station météoSurveillance de
lenvironnement (Température, pression,
humidité, vibration)
MEMS associés à de lintelligence
B. Gozoi, 2001, Arizona State Univeristy
40
Intégration
Utiliser le Si pour intégrer des fonctions
capteurs et actionneurs avec une électronique
associée
La miniaturisation des composants
Fabrication collective
1980 carte de 50cm²
1995 puce de 16mm²
2002 puce de 3mm²
ADXL-50
ADXL-202
41
Des applications variées
Initialement technologie issue des CI pour
élaborer des structures micro-mécaniques
Associés à de lélectronique
 MEMS 
 Microsystèmes 
MicromirroirsSwitchs optiquesCavité optique
Capteur de pressionCentrale dinertie
Capteurs
MOEMS
MEMS
BioMEMS
Puce à ADNMicro-réacteur chimiqueMicrovalve /
Micropompe
Switch RFCapacité variableRésonnateurFiltre
RF MEMS
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Capteurs MEMS
Capteur de Pression
Accéléromètre
Gyromètre
Capteur de pression intégréMotorola (2000)
43
MOEMS
Switch optique 2D
Micromirroirs
Micro miroirs actifs
Projection vidéo
44
BioMEMS
Micromélangeur
Microréacteur
Puce ADN
Etude et analyse de la structure génétique par
détection de séquence ADN - Identification de
lorigine et du contenu (alimentation)-
Identification multiple (12000 gènes
identifiables sur 1cm²)- Identification des
modifications génétiques
45
MEMS RF
Environnement des Télécommunications
switch
filtre accordable
varicap
vco
déphaseur
46
MEMS RF
 Dispositif qui fonctionnent sur le principe
dun interrupteur laisser passer un signal ou
le couper ou le court-circuiter à la masse 
Micro-interrupteur pont (Hyper)
Micro-interrupteur poutre (Cantilever)
MEMS RF une zoologie très variée Paramètres
géométriques Actionnement, Contacts,
Architecture Paramètres physiques Capacité,
Tension dactionnement, Tension de relâchement,
etc.
47
Les différents types de MEMS RF
Actionnement Thermique
On exploite les différents coefficients de
dilatation thermique des matériaux pour créer un
moment mécanique après échauffement
Actionnement Piézo-électrique
On déforme un cristal piézo-électrique sous
laction dun champ électrique et on réutilise le
principe du bilame pour créer un moment mécanique
Actionnement Magnétostatique
Un aimant permanent maintient le dispositif à
létat Haut ou Bas suivant létat de
magnétisation du Permalloy qui constitue le
cantilever
Actionnement Électrostatique
On créé une capacité dont lune des
électrodes est mobile. Les charges accumulées sur
lélectrode fixe font apparaître une différence
de potentiel électrostatique qui génère une force
dattraction, donc un mouvement de la partie
mobile.Le reste de la structure agit comme un
ressort sopposant au mouvement de la partie
mobile
48
Les différents types de MEMS RF
Comparatifs des actionnements
49
Les différents types de contacts
Contacts Ohmiques
Cest un contact métal/métal
Contacts Capacitifs
Cest un contact métal/diélectrique/métal
Comparatifs des contacts
50
Série-parallèle
Switch Parallèle (Shunt)
Il consiste à court-circuiter la ligne du signal
vers les masses du guide coplanaire
Switch Série
 
Le switch est naturellement à létat Off car la
ligne est ouverte lactionneur vient fermer la
ligne
Comparatifs des architectures
51
Principe
V augmente
V gt Vp
52
Principe
Hauteur gap
Electrode mobile
g0
Isolant
Electrode fixe
Tension
Vr Tension de relâchement
Vp Tension dactivation
53
Principe
Capacité générée par un MEMS
Fx
V
Fy
y
x
Force Électrostatique
54
Principe
Dans le cas de structures avec une couche de
diélectrique rajoutée sur lélectrode inférieure

Où td est lépaisseur de diélectrique et er sa
permittivité.
En prenant en compte les effets de bords (modifie
la Fel de 30 à létat haut !!!)
Où X modélise les effets de bord et est un nombre
compris entre 5 et 50.
55
Principe
Activation de la membrane
56
Principe
Fréquence de coupure
Cest la fréquence maximale de fonctionnement
dun MEMS, c. à d. la fréquence à laquelle les
impédances des capacités à létat haut sont
égales à celles de létat bas
Typiquement pour un composant ohmique R1O et
C5fF et pour un composant capacitif, R0,1O et
C50fF, ce qui correspond à une fréquence de
coupure supérieure au THz
La qualité se mesure au rapport
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Caractéristiques

• Mécanique
• Poids entre 10-10 10-11 Kg
• Contrainte de rappel entre 5 et 15 N.m-1
• Tension dactivation
• Entre 15 et 70 V
• Vitesse de switching
• Entre 3 et 50µs
• Fréquence de coupure
• Entre 30 et 80THz
• Consommationquelques mA pendant quelques ?s
• Puissance max admissibleAujourdhui (4-5)10W
  avec objectif à 50W
• Fiabilitéf(Puissance, tension dactivation,
  architecture, switching)Etat de lart de la
  fiabilité
• - sous 10mW, cold switching, 1011 cycles
• - sous 10 W, cold switching, 109 cycles
• - sous 1 W, hot switching, 108 cycles
• A raison de 1000 switchs / seconde, 1011 cycles
  31,7 ans

58
Applications radar
Environnement des Télécommunications
switch
filtre accordable
varicap
vco
déphaseur
59
Switchs parallèle
L est linductance, R la résistance due à la
poutre et Rcontactla résistance de contact
ohmique.   Dans ce cas les paramètres S
sécrivent de la manière suivante avec Z0 comme
impédance de ligne        Si L (pour ? ltlt1/vLC)
et R (sans pertes) sont négligés il est simple de
remonter à la valeur de la capacité du composant
60
Switchs série
Lexpression des paramètres S en négligeant L et
R est la suivante   
61
MEMS SPDT Switch (ZrO2)
Signal IN
Signal OUT1
Signal OUT2
Coplanar Waveguide
62
Déphaseurs
On augmente la longueur du chemin parcouru pour
modifier la phase à laide de switchs
180
entrée
sortie
90
On utilise le principe du déphasage lors dune
réflexion à la masse du signal hyper sur une
poutre étalonnée à laide de switchs parallèles
270
63
Antenne à balayage électronique RBE 2 à
déphaseurs PIN
Radar  pointe avant  du Rafale
.
64
Antenne à balayage électronique RBE 2
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Antenne à balayage électronique RBE 2
66
Antenne à balayage électronique RBE 2
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Antenne à balayage électronique RBE 2
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Antenne à balayage électronique RBE 2
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Filtre accordable
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Varicap (capacité variable)
Lactionneur est un  switch  qui modifie la
surface en regard, donc la capacité du peigne de
manière linéaire.
71
Varicap (capacité variable)
Lactionneur est un  switch  qui modifie la
surface en regard, donc la capacité du peigne de
manière linéaire.
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VCO (Voltage Controlled Oscillators)
Le VCO est un oscillateur dont la fréquence est
fonction de la tension de commande.La fréquence
est déterminé par un circuit LC, lancienne
solution consistait à faire varier les selfs, la
voie moderne est de faire varier les
condensateurs Aujourdhui les VCO peuvent être
pilotés par des capacités variables à base de
MEMS Exemple VCO piloté par des capacités
variables à base de switchs électrostatique MEMS
pour du WLAN 60 GHz
73
Antenne reflect array
74
Antenne active
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et micromoteurs
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Quelques réalisations US
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MEMS based phase shifters

• A lot of developments in the USpaid by radar
  people at DARPA
• State of the art (Rebeiz 2003)
• 0.25 dB/bit at X band demonstrated in US, Japan
• 0.35 dB/bit at Ku band demonstrated US, Japan
• 0.70 dB/bit at Ka band demonstrated US, Japan,
  Korea, Europe
• 0.80 dB/bit at V band demonstrated Korea
• 1.2 dB/bit at W band demonstrated US
• Infinite shelf life, no aging
• On wafer reliability demonstrated to 50-100
  billion cycles in the US and billions of cycles
  in Japan, Korea and Europe (at mW power levels)

78
4-bit Rockwell phase shifter
5 mm
6.0 mm

• 4 bit 0.1 -40 GHz phase shifter based on TTD
  lines
• 2.2 to 2.6 Db insertion losses at 10 GHz
• GaAs substrate

79
2 bits PS (design UoM, fabrication and test by
Rockwell)

• Signal passes through to switches instead of 4
• More compact

Pad de polarisation
SP4T
Polarisation
stub

• Phase accuracy 2 deg (10 GHz)
• Average IL -0.55 dB _at_ 10 Ghz
• 9.6 mm² GaAs substrate, h200µm

80
Raytheon X-Band phase shifter
Si substrate Much bigger than Rockwell designs,
but can handle more RF power (7 W according to GR)
ceramic
Si
81
Raytheon Ka-Band phase shifter
30 GHz
38 Ghz
82
Déphaseurs MEMS vs technologies traditionnelles
Comparaison des pertes entre des déphaseurs à
MEMS et des déphaseurs à base de transistors
AsGa pour un déphaseur 3 bits
d après G.M. Rebeiz
83
MEM Tenna concept
84
Military communication applications
85
Military communication applications
86
NEMS
87
NEMS CNs switch
J. E. Jang et al., Appl. Phys. Lett. 87, 163114
(2005)  Nanoelectromechanical switches with
vertically aligned carbon nanotubes Department
of engineering, University of Cambridge
88
NEMS CNs switch
89
NEMS
Ohmic switch (metal/metal contact)
Capacitive switch (metal/dielectric/metal contact)
90
CN Antennas

• Advantages of CN antennas
• High integration
• High density circuits
• High frequency resonnators

• Applications of CN antennas
• Wireless communications between nano-sized
  devices/organisms and macroscopic world
• Antenna arrays at high frequencies
• Thales 60-110 GHz

• Particular electrical properties
• High characteristic impedance high losses
• High relaxation frequency (gt50GHz)
• High wave velocity (?/50 - ?/100)

91
CN Antennas

• Technical issues
• Dipole fabrication FIB
• Impedance matching 50? - 10k?
• Emission pattern measurements
• Radiation efficiency 60 dB

92
NEMS et nanomoteurs
93
Les MOEMS
Définition Avantages, finalités Historique
MOEMS Exemples de MOEMS
94
MOEMS classification intérêt
 Micro Opto-Electromechanical System 
Définition
Microsystèmes activés électrostatiquement qui
réalisent une fonction optique Un système
micrométrique qui ne  bouge  pas sous l action
d une force électrostatique n est pas un MOEMS
Le mouvement peut être en torsion ou en
translation
MOEMS micro miroirs, filtres Fabry-Pérot,
VCSEL à cavité variable, Bolomètres,...
95
MOEMS classification intérêt
Avantages des MOEMS Possibilité de réaliser de
nouvelles fonctions optiques Possibilité de
réaliser des matrices à grande échelle
plusieurs fonctions dans un système
ultra-compact ( Arraybility ) Capacité de
changer leurs caractéristiques dans le temps et
dans l espace ( Reconfigurability ) Possibilit
é d obtenir une précision à un niveau
nanomètrique par exemple, positionnement des
micro miroirs
96
MOEMS Bref Historique
97
Premier MOEMS !
Micro miroir en Silicium
Torsion sur un seul axe ancêtre du DMD
Kurt Petersen, IBM J. RES. DEVELOP. VOL. 24
N5 S, 1980
98
MOEMS Grating Light Valve (GLV)(Réseau de
diffraction numérique)David Bloom 1994
Technologie alternative aux micro miroirs
La lumière du laser est réfléchie par une série
de rubans activés électrostatiquement
Réflexion ou diffraction selon la position des
rubans Deux modes Numérique (on/off) ou
Analogique (l intensité réfléchie peut être
modulée par le nombre des rubans en position on
off)
Vitesse dactivation 20 ns !
99
Grating Light Valve
100
DMD Digital Micro mirror Device

• DMD 864 X 576
• Micro miroirs en aluminium 16 µm X 16µm
• Mouvement en torsion (1013 cycles)
• Not operating parked at 0 degree
• On Tilt 10 degrees
• Off Tilt 10 degrees
• On/Off Switching 1000 times/sec

101
Micro miroir
102
MOEMS comparaison GLV / DMD
Le choix du MOEMS influence le choix de la source
lumineuse
Bonne efficacité (réflexion) ? Source classique
Faible efficacité ? Source laser
Marché professionnel Excellente définition sur de
grands écrans Prix élevé
Marché public PC, vidéo projecteurs Prix modéré

103
MOEMS Miroirs pour applications aérospatiale
104
MOEMS Laser accordable External cavity Tunable
Laser
105
MOEMS Interrupteur de lumière 1-D
106
MOEMS Interrupteur de lumière 1-D
Transmission
Réflexion
107
MOEMS Capteurs de gaz
108
MOEMS Bolomètres
Changement de la résistivité électrique,
polarisation, constante diélectrique en
fonction de la variation de température Matériaux
à forte isolation thermique
0.04C
Vision nocturne
109
MOEMS Filtre pour WDM applications(Démultiplexe
ur en longueur donde)
110
Filtre pour applications WDM
111
Filtre pour applications WDM
112
FIN
113
(No Transcript)