Les différentes variantes à géométrie symétrique et dissymétrique

La force électrostatique est particulièrement intéressante puisqu’elle résulte d’une attraction entre deux électrodes portées à deux potentiels différents, sans qu’il y ait de passage de courant électrique. En théorie, on ne consomme donc plus d’énergie pour continuer à appliquer cette force. La consommation d’énergie se fait lors du déplacement de charge à l’actionnement (de l’ordre de quelques dizaines de picoJoules dans le cas du composant décrit dans [MER 04]). En pratique cependant, il existe des fuites qui entraînent une faible consommation lors du maintien en position ; mais cette consommation est de plusieurs ordres de grandeur inférieure à un actionnement thermique par exemple. Dans sa phase d’actionnement, un dispositif piloté par la force électrostatique va consommer moins de 1 µWatt, alors que le dispositif à actionnement thermique proposé par [ROB 03] va consommer environ 10 µJ en 300 ms lors de son actionnement thermique, ce qui correspond à une puissance dissipée d’environ 30 µWatt.

Pour modéliser simplement un actionneur électrostatique, on peut prendre l’approximation de la capacité à armatures métalliques parallèles.

On considère la capacité plane C illustrée sur la Figure 3 de largeur b et longueur L. L’espace entre les deux armatures métalliques g étant rempli par un diélectrique de permittivité ε0, on a la relation bien connue : C = ε0 Lb ( 1)

La force électrostatique Fe qui va être exercée par l’une des armatures sur la deuxième en fonction de la différence de potentiel entre les deux armatures V dérive du calcul de la puissance délivrée par une capacité variable. Elle est exprimée en fonction de la largeur b, la longueur L, et le gap entre les deux armatures g par [ZAH 79]: F = − ε0bLV 2 e2g2( 2)

Une tension électrique de quelques dizaines de Volt entre deux électrodes séparées par quelques microns va ainsi engendrer une force électrostatique, qui peut servir d’actionnement pour une structure mécanique. A l’échelle macroscopique, ces forces sont généralement négligeables comparées aux forces de gravitation notamment.

L’actionnement électrostatique est très souvent intégré lors de la réalisation de commutateurs car sa faible consommation, virtuellement nulle pour le maintien électrostatique, représente un avantage prépondérant sur les autres types d’actionneur.

Cependant, les tensions mises en œuvre pour réaliser des déplacements importants sont hautes (de l’ordre d’une centaine de Volt pour un gap supérieur à 4 µm par exemple). Ces fortes tensions vont ainsi favoriser le chargement des diélectriques qui sont situés entre les deux armatures métalliques. Les mécanismes de ce chargement sont encore relativement mal compris. Un consensus semble cependant se dessiner sur l’origine de ce chargement qui proviendrait des pièges de charges situés au niveau des interfaces et au sein même du matériau diélectrique. Ces piéges seraient notamment liés à l’état de surface, au type d’interfaces mis en jeu, et à l’état de contraintes résiduelles des couches [DAM 97]. Ces phénomènes sont connus depuis longtemps [BLA 90], mais jusqu’à ce jour aucune solution ne permettant de contourner les défaillances inhérentes à ces mécanismes n’a été découverte. Récemment des études ont été menées tout spécifiquement sur le chargement des diélectriques pour des commutateurs capacitifs [PAP 05], [MEL 05], et mettent en lumière les facteurs concourant à ce chargement : effet de la température qui favorise le piégeage des charges, ou de la tension d’actionnement [MEL 05].

Pour des applications où l’on cherche à avoir une bistabilité mécanique comme dans le cas de cette thèse, il est nécessaire d’avoir un gap important afin d’avoir une stabilité importante. Les tensions nécessaires pour mouvoir un tel composant sont donc particulièrement importantes. Pour mettre en mouvement un tel dispositif, on peut toutefois intégrer autrement la force électrostatique. Il est ainsi possible d’employer des peignes inter-digités, ou d’utiliser l’effet « zipping » où l’on augmente progressivement la surface de contact lors de l’application de la force électrostatique. Ces deux types d’actionnement sont cependant relativement difficiles à intégrer. Il est donc souvent plus aisé d’utiliser un actionnement reposant sur un autre principe physique.

Les alternatives les plus répandues à l’actionnement électrostatique sont notamment l’actionnement magnétique, l’actionnement thermique, et les déformations engendrées par des actionneurs piézo-électriques.

Pour mettre en œuvre des forces magnétiques, il est nécessaire d’intégrer des matériaux et des architectures relativement complexes (bobines MEMS notamment). Cependant, ce type d’actionnement offre des forces plus importantes (notamment comparées aux forces électrostatiques et piézo-électriques) et les distances d’interactions sont relativement importantes [NIA 03]. Par ailleurs, grâce aux matériaux magnétiques, il est possible de réaliser des switches qui ne consomment que lors de l’actionnement, puisque les propriétés magnétiques peuvent être intrinsèques.

Pour fonctionner, l’actionnement magnétique nécessite d’une part des aimants permanents réalisés dans des films minces magnétiques (voir par exemple [CHI 00] et [MYU 03]) et d’autre part l’intégration de bobines magnétiques capables de créer localement un champ magnétique variable selon l’intensité du courant électrique qui les traverse. Ce champ magnétique variable est utilisé pour créer un mouvement.

Les actionneurs piézo-électriques sont basés sur la faculté des cristaux piézo-électriques à se déformer mécaniquement sous l’impulsion d’une excitation électrique.

L’origine physique de ce phénomène provient de la création de dipôles électriques dans un matériau diélectrique soumis à un champ électrique extérieur. Ces dipôles vont engendrer un G dépendant  du G la moment  dipolaire P linéairementchamp  électrique  extérieur   E ; constante diélectrique du vide ε0 (8,854.10-12 F/m) et la constante diélectrique relative du matériau εr interviennent de la façon suivante pour définir ce coefficient de proportionnalité : P = ε 0 (ε r −1)EG G ( 3)

Dans les MEMS ce sont notamment les cristaux de ZnO, LiTaO3, AlN et de PZT (Pb(Zr0,52,Ti0,48)O3) qui sont intégrés, soit pour réaliser des capteurs de déplacement, soit comme actionneurs.

Le principe de l’actionneur thermique repose sur la faculté des matériaux à se déformer sous l’action d’une élévation de température. Cette dilatation va être plus ou moins forte selon le matériau ; par exemple l’or ou l’aluminium, qui possèdent un cœfficient de dilatation thermique (CTE, pour « Coefficient of Thermal Expansion ») supérieur à 20 ppm/K vont se déformer plus de 40 fois plus que la Silice (CTE de 0,5 ppm/K) lorsqu’ils sont soumis à une hausse de température. Ce CTE, propre à chaque matériau est noté α. En pratique, on utilise le plus souvent une règle de dilatation linéaire pour quantifier cette déformation thermique, en lui donnant une plage de validité. Une longueur initiale L0 soumise à une hausse de température ∆T va se dilater jusqu’à une longueur L selon la relation ( 4) : L(T ) = L0 (1+α∆T) ( 4)

Il est en revanche plus difficile d’obtenir un coefficient de dilatation valable sur une large plage de température. Pour de fortes variations de température, la relation peut même devenir relativement complexe. Celle du silicium entre 300 et 1500 K donné dans [OKA 84], est par exemple de la formeα (T ) = A(1 − exp(B(T − C)) + DT où A, B, C, D sont des constantes. Dans ce qui suit, les deux manières d’exploiter la dilatation thermique dans les MEMS sont présentées.

La géométrie la plus commune pour réaliser un déplacement linéaire dans le plan est l’« actionneur en V ». Cette structure permet d’amplifier le déplacement engendré par la dilatation d’une poutre lors de son échauffement.

Cette solution d’actionnement est particulièrement intéressante car elle n’utilise qu’un seul matériau ce qui rend son intégration relativement aisée. Elle permet par ailleurs d’obtenir des déplacements dans un plan parallèle au substrat.

Une autre variante à ce type de déplacement « dans le plan » consiste en un actionneur composé de deux bras de même longueur et de largeurs différentes, reliés entre eux de manière à ce qu’ils forment un circuit électrique fermé (cf. Figure 5). L’application d’une différence de potentiel au niveau des connecteurs (appelé couramment « pads ») va engendrer un courant électrique qui va chauffer différemment les deux bras. La différence de dilatation qui en résulte va engendrer un mouvement parallèle à la surface du substrat, comme illustré sur la Figure 6.

Dans cette simulation, on a considéré un module d’Young de 169 GPa, coefficient de Poisson de 0,22 , un coefficient de dilatation thermique de 2,97.10-6/K, une résistivité de 4 Ω.cm à température ambiante qui a une variation en T5/2, et une conductivité thermique de 32 W/mK.

En entrée du modèle, on donne la valeur de la tension électrique de 100V, appliquée entre les deux pads de l’actionneur. Dans un premier temps, on réalise un calcul non linéaire 2D qui permet de connaître la répartition de température, et qui est représentée sur la Figure 5. On utilise pour cela sous ANSYS des éléments thermo-électriques isoparamétriques.

L’appellation « MEMS RF » regroupe tous les microsystèmes intégrés dans des circuits pour applications Radio-Fréquences. Actuellement, ce sont les duplexeurs et filtres de type BAW (pour Bulk Acoustic Wave) fabriqués par Infineon et Agilent qui ont le plus de succès car leur maturité a atteint le stade de production grande série. Ces composants sont surtout intégrés dans les téléphones mobiles. La Figure 9 synthétise les applications les plus connues pour les MEMS RF. On voit que pour une application donnée, des MEMS RF différents peuvent être intégrés pour des fonctions différentes. Par exemple dans les téléphones mobile, les BAW sont utilisés pour remplacer certains filtres, alors que les switches pourraient plutôt être intégrés comme commutateur de bande, par exemple. Comme le montre la Figure 9, les trois composants qui permettraient de franchir le plus de fossés technologiques sont notamment le micro-switch RF, les résonateurs BAW et les capacités variables.

Les ondes radiofréquences ou millimétriques ont ceci de particulier que la moindre résistance série ou une inadaptation d’impédance provoque respectivement des pertes d’insertion ou pertes de retour lorsque le commutateur est en position passante. De même, en position ouverte, une valeur élevée de la capacité parasite du composant va provoquer une dégradation de l’isolation. De plus, les non-linéarités de la caractéristique de transfert (I en fonction de V) vont générer des signaux perturbateurs qui vont dégrader les performances du système. Pour ces raisons, il est très important d’avoir des switches RF très performants, afin de ne pas dégrader les signaux RF.
Actuellement, quatre types de switches RF commerciaux sont utilisés :
– Les diodes PiN
– Les transistors à effet de champ communément appelés FET (Field Effect Transistor)
– Les commutateurs coaxiaux et les commutateurs électromécaniques
– Les MEMS RF
Les principaux avantages des diodes PiN et transistors FET sont une petite taille associée à une intégration relativement aisée sur puce, un temps de commutation très court, une très bonne fiabilité (virtuellement nombre de cycle infini), et en plus des bas coûts de fabrication. En revanche, les performances de ces composants sont limitées à hautes fréquences (pertes d’insertion, isolation notamment), et il y a une inhomogénéité de ces performances lorsque l’on travaille sur une large bande de fréquences. Les diodes PiN et transistors FET sont donc de très bon composants pour des applications à relativement basses fréquences (~ 10 Ghz). Certains ayant des performances acceptables jusqu’à 30 GHz sont actuellement sur le marché, mais sont relativement coûteux.
Les relais coaxiaux ou relais électromécaniques (EMRs) ont des propriétés radicalement différentes des diodes et transistors. En effet, pour ces composants, les pertes d’insertion restent inférieures à 1 dB et l’isolation supérieure à 50 dB pour des fréquences de travail s’étendant des signaux continus (DC) jusqu’à des fréquences de 40 GHz. Par ailleurs, la puissance transmise peut être supérieure à plusieurs Watt. Les principaux inconvénients de ces relais sont inhérents à leur méthode de fabrication et leur mode de fonctionnement : ce sont des relais macroscopiques à déclanchement mécanique. Ils ont donc une taille importante, une durée de vie limitée (dégradation mécanique par frottements), une faible vitesse de réaction, un prix élevé, et pas de co-intégration possible avec des circuits électroniques puisqu’ils sont vendus en composants discrets seulement. Les relais sont donc bien adaptés pour les systèmes qui nécessitent de très hautes performances (pertes d’insertion, isolation et linéarité), et où la taille, le prix et la vitesse ne sont pas importants. L’engouement pour les switches MEMS a notamment été suscité par leur potentiel pour une faible consommation, leurs faibles pertes d’insertion, leur bonne linéarité, leur gamme de fréquence de travail large, leur faible taille, et enfin leur excellent potentiel d’intégration sur Silicium. Cependant, comme cela est présenté dans le Tableau 3, pour ce qui concerne certaines caractéristiques, les autres composants RF sont nettement meilleurs que les MEMS. Ce sont donc plutôt les compromis entre les différentes caractéristiques qui font la force des MEMS.
Certaines applications innovantes exigent à la fois les qualités électriques élevées des relais mécaniques et la taille, le coût des diodes PiN ou transistor FET. Les composants MEMS sont les seuls à apporter ces compromis.
Il est vraisemblable que les commutateurs MEMS, si les défis qui subsistent encore sur les technologies de fabrications sont relevés, remplaceront les trois autres types de commutateurs employés actuellement pour certaines applications.
Dans le secteur des terminaux mobiles par exemple, les MEMS RF (micro-switches et BAW) semblent permettre l’intégration de nouvelles fonctions comme de la video, des jeux, l’Internet, et l’acceptation de plusieurs standards. En effets, les autres technologies employées actuellement pour traiter les signaux RF (diodes PiN et transistors FET) ne sont pas assez performantes en terme d’isolation, de linéarité et de pertes d’insertion.

En raison des qualités présentées dans le paragraphe précédent les switches MEMS peuvent être utilisés pour remplacer les composants semi-conducteurs classiques. Les fonctions électroniques qui paraissent attractives sont notamment les déphaseurs (« Phase Shifter »), tuners d’impédance et filtres ou encore les routeurs.
Comme cela a été présenté auparavant, les switches MEMS à actionnement électrostatique ne nécessitent virtuellement aucune dépense d’énergie pour le maintien en position du commutateur. De même, les switches à actionnement magnétique et les composants mécaniquement bistables ne consomment qu’au cours de leur phase d’actionnement, le maintien se faisant ensuite respectivement grâce aux propriétés des matériaux ou propriétés mécaniques de la structure. Ces composants sont donc a priori aussi d’excellents candidats pour exercer la fonction de routeur, c’est-à-dire pour diriger un signal électrique.
Nous avons vu dans le paragraphe précédent que les micro-commutateurs MEMS avaient des applications dans le domaine de l’électronique radio-fréquences. Leurs qualités intrinsèques de faible taille, faible consommation font aussi de ces composants des candidats appréciés dans le domaine du biomédical, et notamment pour les systèmes implantés où l’autonomie est un gage de confort pour le patient et parfois aussi de diminution de coût pour les systèmes d’assurance maladie.
Le CEA-LETI développe actuellement un nouveau système de stimulation cérébrale profonde en collaboration avec le CHU de Grenoble pour améliorer l’opérabilité des personnes touchées par la maladie de Parkinson. Ce type de stimulation est aussi à l’étude pour soigner les symptômes de pathologies telles que l’épilepsie et l’obésité. La méthode thérapeutique appliquée depuis plus de 10 ans consiste à implanter des électrodes de stimulation, localisées de manière précise autour du noyau sous-thalamique, et à induire un courant électrique à des fréquences de l’ordre de 100-200 Hz [BEN 05], comme c’est illustré sur la Figure 10.
L’objectif du nouveau système est de permettre l’implantation d’un plus grand nombre d’électrodes de stimulation [BOU 03], et leur sélection post-opératoire. Ce système permettrait de réduire le temps, et donc le coût, de l’opération. En effet, la méthode actuelle nécessite la participation active du malade au cours de l’opération, de manière à ce que le chirurgien puisse évaluer si la position des électrodes est bonne. La zone à stimuler ayant une taille de l’ordre d’un gros grain de riz, l’implantation d’un plus grand nombre d’électrodes, permet d’une part d’atteindre plus facilement la zone à exciter, et d’autre part de stimuler une zone volumique plus importante, ce qui peut dans certains cas apporter une amélioration thérapeutique.
Le micro-commutateur bistable développé dans le cadre de ce travail pourra être intégré au sein du nouveau système est ainsi permettre d’améliorer l’autonomie du système et sa taille. En effet, les matrices de commutation sont actuellement réalisées en technologie CMOS, ce qui entraîne une consommation faible mais continuelle, alors qu’un composant bistable mécaniquement ne consommera que lors de sa phase d’actionnement. Par ailleurs, lorsque les technologies MEMS seront un peu plus matures, il est raisonnable de penser que des composants MEMS pourront être intégrés directement au-dessus de circuits ASIC (« MEMS above IC »). Plutôt que de réaliser du report sur substrat des différentes puces et composants discrets, une intégration « above IC » sur substrat souple permet de gagner en taille et confort pour l’utilisateur final.

La difficulté rencontrée pour fiabiliser les switches MEMS s’explique notamment par la complexité et la variété des phénomènes qui influencent le fonctionnement de ces composants. Les propriétés intrinsèques des matériaux du composant (mécaniques, électriques, thermiques) vont notamment fortement influencer les propriétés électriques du composant. On a par exemple d’une part les pertes d’insertion qui vont dépendre du matériau conducteur utilisé pour le contact et de la force mécanique de contact ; d’autre part, l’isolation va dépendre des propriétés du matériau diélectrique ainsi que de son épaisseur.
Par ailleurs, une des causes importantes de défaillance des switches est le collage provoqué par le chargement des diélectriques. Il existe notamment deux leviers pour éviter ce collage : travailler sur le matériau diélectrique afin de limiter au maximum la densité de pièges à électrons (défauts au sein du diélectrique ou à l’interface) ; ou encore avoir une structure suffisamment rigide afin que la force de rappel soit assez élevée pour équilibrer la force électrostatique associée au chargement du diélectrique. Dans cette partie, nous présenterons tout d’abord des structures qui sont monostables, c’est-à-dire qui nécessitent l’application permanente d’une tension électrique pour le maintien en position. Nous présenterons ensuite les géométries qui sont mécaniquement bistable, c’est-à-dire que le maintien dans chacune des deux positions (ON et OFF) se fait sans alimentation extérieure. Cette bistabilité pouvant aussi être atteinte par l’intégration de matériaux magnétiques, seront enfin détaillés des exemples de prototypes utilisant des matériaux magnétiques.

Au début de ce travail, très peu d’architectures bistables mécaniquement étaient disponibles dans la littérature. L’architecture que nous proposons s’est donc inspirée de composants mono stables, c’est-à-dire qui ne sont pas bistables mécaniquement. Par ailleurs, pour comprendre le fonctionnement et l’intérêt du composant présenté dans ce travail, il est intéressant d’avoir une vue globale sur les différentes architectures de switches MEMS classiques.

Le laboratoire Lincoln du MIT propose la géométrie relativement simple décrite sur la Figure plaque composite comportant de l’aluminium et de l’oxyde de silicium déposés dans deux états de contrainte différents. L’actionnement se fait à l’aide d’une force électrostatique appliquée par effet de fermeture éclair (« zipping ») : cet effet permet de diminuer la tension d’actionnement, puisqu’on diminue progressivement l’espace entre les deux électrodes lors de l’actionnement.
Un composant fabriqué par Motorola, qui consistait en une poutre encastrée-libre, a aussi démontré des performances remarquables et comporte une architecture semblable [MER 04].
Le gros avantage des commutateurs de type encastré-libre est leur faible rigidité. Cela leur permet d’avoir, du moins théoriquement, une faible tension d’actionnement. Dans le cas du switch développé par le laboratoire Lincoln, cet avantage est renforcé par un effet de « zipping », qui contribue à diminuer la tension d’actionnement. Par ailleurs, la conception de ce composant est particulièrement intéressante car c’est l’un des premiers switches MEMS à intégrer les contraintes résiduelles. En effet, la plupart des concepteurs se contentent d’essayer de diminuer l’impact des contraintes résiduelles sur le fonctionnement du composant. Ici, comme pour le prototype développé dans ce travail, le concepteur utilise les contraintes résiduelles afin d’obtenir le composant désiré.

La majorité des switches MEMS développés et publiés utilisent une architecture composée d’une poutre encastrée-encastrée. Cette géométrie a une rigidité importante, ce qui met le composant à l’abri d’une part des commutations intempestives dues à des sollicitations extérieures (accélérations et chocs notamment), et d’autre part permet de limiter le collage grâce à une force de rappel plus importante. A notre connaissance, le premier composant de cette architecture ayant des caractéristiques radiofréquences acceptables a été publié par [GOL 98]. La Figure 12 donne une illustration de ce composant.