Fundamental Properties and Optimization of MEMS Contacts for High Power Handling – FUNCHIP

Le projet FUNCHIP a pour but de déterminer les limites physiques des actionneurs électrostatiques à plaques parallèles utilisés dans les commutateurs MEMS RF, et d’optimiser le comportement thermique de ces composants.
Les applications visées par ce projet concernent pare exemple les antennes actives Radars, dans lesquelles les relais MEMS-RF permettraient de protéger les têtes de réception de manière efficace, tout en ayant des pertes réduites. Les verrous technologiques, concernent la tenue en puissance des relais, qui devra être supérieure à 20 Watts entre 6 et 20 GHz, avec des fiabilités supérieures à 1 Milliard de cycles.
Grâce à la maturation des recherches dans ce domaine, les clés pour parvenir à de telles performances se dessinent peu à peu.
L’actionneur électrostatique, qui sert à ouvrir et fermer ces relais, doit générer des forces importantes. Cela permet d’utiliser des structures très raides, donc rapides, et insensibles au collage. De plus, la résistance entre les deux électrodes mises en contact à la fermeture du relais, est d’autant plus faible que la pression exercée est importante.
Pour un niveau de puissance donné, l’élévation de température au point de contact est liée à la résistance de ce point précis (donc à la force générée par l’actionneur), et aussi à la faculté du substrat d’évacuer la chaleur générée.
FUNCHIP traite de ces deux aspects uniquement, l’actionneur, et la thermique (le packaging et le temps de commutation ne seront pas traités dans ce projet).
Pour une tension donnée, les actionneurs électrostatiques à plaques parallèles des MEMS voient leur force augmenter au fur et à mesure que le gap de séparation entre les plaques diminue. Ainsi, il faut utiliser des gaps de séparation faibles pour avoir des forces importantes. Cette progression est limitée par des phénomènes de claquage, qui sont mal compris aujourd’hui, car la physique du claquage sub-micronique (Effet Paschen par exemple) a été peu étudiée. Au delà des effets du gaz ambiant, la nature des métaux utilisés pour fabriquer les électrodes, leur rugosité, et leur layout influe sur leur tenue. Le projet FUNCHIP étudiera de manière systématique les propriétés des métaux couramment utilisés en microélectronique et testera la tenue au claquage de plusieurs véhicules de test simples. Les mesures de courant de fuite, permettront également d’étudier de manière plus fine les phénomènes physiques mis en jeu, en déterminant la nature des courants. Nous parviendrons ainsi à déterminer quelles sont les hauteurs de gaps qui permettent d’assurer un fonctionnement fiable et optimal de ces actionneurs.
Pour optimiser le comportement thermique des relais, des techniques de transfert de substrat seront utilisées. Des substrats de faible épaisseur permettront d’améliorer directement les performances thermiques des micro-switchs. Cependant, ces substrats minces entraineront aussi une réduction de la section des lignes d’accès au micro-commutateur, et donc une augmentation des pertes, et de la désadaptation entre la structure du switch et l’accès.
Par des simulations électromagnétiques et des simulations thermiques, nous pourrons trouver un compromis optimal pour réaliser un composant doté d’un bon comportement thermique et de faibles pertes.
La dernière partie du projet sera consacrée à une conception et une réalisation du micro commutateur en suivant les résultats précédents. Concrètement, nous fabriquerons un micro commutateur avec un actionneur électrostatique puissant, de gap le plus faible possible, sur un substrat optimisé. Le micro-switch sera testé en puissance, jusqu’à des niveaux acceptables d’après les simulations thermiques. Grâce aux techniques d’imagerie disponibles au LAAS, nous pourrons valider nos simulations et disposer de règles de conception efficaces pour des applications de puissance adaptées aux applications défense.