Brevet FR3076291A1 — publié le 20190705

Commutateur MEMS-RF comportant des elements incluant un materiau ferromagnetique Le domaine de ('invention est celui des commutateurs dits « MEMS-RF », acronyme signifiant « MicroElectroMechanical System Radio Frequency ». Ce type de commutateur comporte des elements mecaniques de dimensions submillimetriques dont les micro-deplacements commandes par des moyens electroniques permettent de realiser des fonctionnalites radiofrequence. Dans un grand nombre d'applications, ('element mobile du commutateur est une membrane metallique disposee au-dessus d'une 15 electrode plane recouverte d'un materiau dielectrique. Sous I'effet d'un champ electrostatique, la membrane se deforme et entre en contact avec ('electrode assurant ainsi la fonctionnalite souhaitee. Actionner/relacher cette membrane electrostatique revient a charger/decharger une capacite. Dans un cas comme dans l'autre, un courant est genere lors de ces phases. Ce 20 courant de faible intensite est emis sur une tres courte periode. Un des inconvenients de ce type de commutateur est qu'un des facteurs de defaillance est l'auto-maintien de la membrane sur son electrode, merne lorsque le courant est coupe, rendant le dispositif inutilisable. Cet auto-maintien a deux causes principales. La premiere est ('injection de 25 charges dans la partie superieure du dielectrique et la seconde les effets de collage dus aux forces de Van der Waals a mesure que la qualite de surface du dielectrique s'ameliore, sa rugosite etant de plus en plus faible. Plusieurs etudes ont montre que, lorsque Ia membrane du commutateur capacitif est a l'etat bas, des charges sont injectees dans la 30 partie superieure de la couche dielectrique. En effet, lorsque la membrane du MEMS-RF a actionnement electrostatique est a l'etat bas, l'empilement ligne/dielectrique/membrane forme une capacite « MIM », signifiant « MetalInsulator-Metal », comprenant generalement une capacite d'air parasite au niveau du contact membrane/dielectrique due a la rugosite des materiaux. Le 35 dielectrique de cette capacite MIM se charge rapidement sur sa partie inferieure et peu sur sa partie superieure a cause du mauvais contact metal/dielectrique. Lors de Ia phase de relachement ou de decharge, le 2 contact cesse sur la partie superieure du dielectrique et les charges injectees restent prisonnieres tandis que dans la partie inferieure, les charges sont evacuees grace au tres bon contact dielectrique /metal. Apres de multiples activations, ces charges sont presentes en quantite suffisantes pour generer 5 un champ electrique residuel statique maintenant la membrane a l'etat bas. Cet effet varie fortement avec le niveau de champ electrique present dans le dielectrique lorsque la membrane est maintenue a l'etat bas. Ainsi, les effets de ce chargement de la partie superieure du dielectrique ne sont pas observes au meme moment pour des structures ayant des tensions d'activation differentes. Pour pallier cet inconvenient, plusieurs solutions techniques ont ete proposees. L'augmentation de la force de rappel fait partie des plus couramment utilisees. La membrane etant plus raide, on doit augmenter le stress electrique dans le dielectrique pour obtenir la montee ou la descente 15 de la membrane. Cette augmentation de la force de rappel est alors limitee par la tension de claquage du materiau dielectrique. Une autre solution consiste a introduire un mecanisme de « pull-up » for-cant la membrane a remonter au moyen d'un actionneur electrostatique. Cette solution a comme principal inconvenient de compliquer 20 la structure mecanique et, par consequent de diminuer sa fiabilite. Une demiere solution consiste a reduire la tension necessaire ('activation et au maintien de la membrane du MEMS-RF a l'etat bas. Cette solution permet de reduire fortement le stress electrique subi par le dielectrique et son vieillissement. Cette solution n'est, malheureusement, pas 25 compatible des applications de puissance qui, a cause de I'effet d'auto- activation, necessitent un minimum de raideur de la membrane, fonction de la puissance du signal que I'on souhaite faire transiter par le composant MEMS-RF. 30 On sait que tout courant electrique circulant dans un conducteur genere un champ magnetique. On sait egalement que ce champ magnetique peut exercer une force magnetostatique sur certains materiaux ferromagnetiques. Le commutateur selon ('invention met en oeuvre ces proprietes. En disposant judicieusement les lignes de commande electriques 35 et en utilisant des materiaux ferromagnetiques dans la realisation de ('electrode et de la membrane, on peut ainsi creer des forces magnetiques soit attractives, soit repulsives qui vont aider la membrane soit a se coller 3 contre ('electrode, soit a s'en detacher. Plus precisement, ('invention a pour objet un commutateur MEMS-RF comportant une membrane metallique disposee au-dessus d'une electrode de commande, caracterise en ce que la membrane et ('electrode de commande sont realisees en materiaux 5 ferromagnetiques ou comportent au moins une couche de materiau ferromagnetique. Avantageusement, au repos, la membrane etant sensiblement plane et maintenue au-dessus de ('electrode de commande par deux piliers, la deformation de la membrane se faisant selon un axe perpendiculaire a ce i.o plan et selon une direction joignant les deux piliers, ('electrode de commande etant alimentee par une ligne de commande en courant, ladite ligne de commande est disposee de fawn que le sens de l'intensite du courant soit perpendiculaire audit axe et a ladite direction de fawn que les forces magnetiques creees par ledit courant soient paralleles a ('axe de 15 deformation. Avantageusement, le materiau ferromagnetique de Ia membrane possede une aimantation permanente appelee aimantation remanente. Avantageusement, le materiau ferromagnetique de la membrane est un alliage de samarium-cobalt ou un alliage de noodyme-fer-bore ou un 20 hexaferrite de baryum ou de strontium. Avantageusement, le materiau ferromagnetique de ('electrode de commande est un alliage conducteur en fer-nickel. Avantageusement, le materiau ferromagnetique de ('electrode de commande est un ferrite isolant. 25 Avantageusement, le ferrite isolant est un ferrite spinelle de nickel- zinc. Avantageusement, la couche de materiau ferromagnetique est deposee par evaporation sous vide ou par pulverisation cathodique ou par deptit par ablation laser. 30 Avantageusement, l'epaisseur de Ia membrane est comprise entre 0.5 micrometre et 1.5 micrometre. Avantageusement, l'epaisseur de la couche de materiau ferromagnetique de ('electrode est comprise entre 100 nanometres et 300 nanometres. 35 4 Avantageusement, la largeur de la membrane est comprise entre 50 micrometres et 150 micrometres et sa longueur est comprise entre 200 micrometres et 400 micrometres. 5 L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaitront a la lecture de la description qui va suivre donnee a titre non limitatif et grace aux figures annexees parmi lesquelles La figure 1 represente une vue de dessus et une vue de face d'un commutateur MEMS-RF selon ('art anterieur ; Les figures 2 a 4 representent les differentes etapes d'une activation electrostatique d'un MEMS-RF permettant de passer de l'etat « ouvert » a l'etat « ferme » ; Les figures 5 a 7 representent les differentes etapes d'une activation electrostatique d'un MEMS-RF permettant de passer de I'etat « ferme » a l'etat « ouvert » ; La figure 8 represente les lignes de champ magnetique dans un conducteur electrique ; La figure 9 represente une vue de dessus d'un commutateur MEMS-RF selon ('invention ; Les figures 10 et 11 representent respectivement les effets de repulsion et d'attraction qui sont presents respectivement lors des passages de l'etat bas a l'etat haut et de l'etat haut a l'etat bas ; La figure 12 represente les trois forces en fonction du temps s'exercant sur la membrane lorsqu'elle est soumise a une desactivation ; La figure 13 represente, en fonction du temps, la resultante de ces trois forces s'exercant sur la membrane lorsqu'elle est soumise a une desactivation ainsi que la comparaison avec une membrane ne comportant pas le dispositif selon ('invention. La figure 1 represente une vue de dessus et une vue de face d'un commutateur MEMS-RF electrostatique selon ('art anterieur. II comporte une membrane 1 disposee au-dessus d'une electrode conductrice 2. La membrane est rectangulaire et plane a l'etat de repos. Elle est percee de micro-trous 10 regulierement espaces utilises lors de sa fabrication. Sa largeur est de l'ordre de 100 micrometres, sa longueur de l'ordre de 300 micrometres et son epaisseur de l'ordre du micrometre. Elle repose sur deux piliers 11 paralleles au-dessus de ('electrode conductrice 2. Sa hauteur au- 5 dessus de ('electrode est de quelques micrometres. L'electrode comporte une couche 21 de dielectrique dont l'epaisseur est generalement comprise entre 50 nm et 500 nm. L'ensemble membrane-electrode est equivalent a un condensateur electrique. 5 Les figures 2 a 4 representent les differentes etapes d'une activation electrostatique de ce commutateur permettant de passer de l'etat « ouvert » (haut) a l'etat « ferme » (bas). Dans une premiere etape represent& en figure 2, on applique une tension V entre ('electrode 2 et la membrane 1. Cette tension genere une force electrostatique Fes qui depend 10 des parametres geometriques de ('ensemble constitue par la membrane et ('electrode et de la tension appliquee V. Cette force electrostatique est suffisante pour plaquer la membrane sur la couche 21 de dielectrique de ('electrode 2 comme on le voit sur la figure 3. Au cours de la charge de la capacite, un courant i circule pendant un court instant, de I'ordre de grandeur 15 du temps de commutation de la membrane, comme on le voit sur la figure 4 qui represente la variation de l'intensite du courant en fonction du temps t. L'intensite de ce courant i est de l'ordre de quelques milliamperes. De la meme fawn, les figures 5 a 7 representent les differentes &tapes d'une activation electrostatique de ce commutateur permettant de 20 passer de l'etat « ferme » a l'etat « ouvert ». Dans une premiere etape represent& en figure 5, on remet a zero la tension V entre ('electrode 2 et la membrane 1. La force electrostatique Fes diminue jusqu'a disparaitre, en quelques dizaines de nanosecondes, la force de rappel Fr mecanique de la membrane devient la seule a s'exercer. Cette force est suffisante pour que la 25 membrane reprenne sa position initiale comme on le voit sur la figure 6. En remettant la tension a zero, un courant i circule de nouveau pendant un fres court instant, de I'ordre de quelques dizaines de nanosecondes comme on le voit sur la figure 7 qui represente la variation de l'intensite du courant en fonction du temps t. L'intensite de ce courant est egalement de l'ordre de 30 quelques milliamperes. Le principe de realisation du commutateur selon ('invention est base sur ('apparition de ces courants transitoires pendant les phases d'activation et de desactivation de la membrane. Les effets de ces courants 35 sont insignifiants pendant ('activation et appreciables pendant la desactivation. En effet, tout courant circulant dans un conducteur genere un champ magnetique circulant autour de ce conducteur comme on le volt sur la 6 figure 8 qui represente un conducteur cylindrique C traverse par un courant i et les lignes concentriques LB de champ magnetiques generees par ce courant. Tout champ magnetique exerce une force sur un materiau ferromagnetique dispose dans ce champ. Par consequent, en utilisant des 5 materiaux ferromagnetiques pour la realisation de la membrane et de son electrode associee, it est possible de creer une force magnetique qui va s'exercer sur la membrane a ('activation en tant que force attractive et a la desactivation en tant que force repulsive. Pour que l'intensite du courant provoque une orientation correcte 10 de cette force magnetique, it est necessaire que la ligne de commande soit positionnee de fawn a generer une circulation de courant generant des lignes de champs dans le sens approprie tel que represente sur les figures 8, 10 et 11. A titre d'exemple, un agencement correct de la ligne de commande 22 est illustre en figure 9 qui represente une vue de dessus de ('ensemble 15 membrane-electrode. L'inclusion de materiaux ferromagnetiques dans la membrane et dans ('electrode basse permet de focaliser les champs magnetiques cites lors de la charge et de la decharge des electrodes. On genere ainsi une force supplementaire d'attraction lors de la charge et une force supplementaire de 20 repulsion lors de la decharge. Preferentiellement, la membrane est realisee dans un alliage de samarium-cobalt qui presente les avantages de posseder une aimantation remanente Mr elevee, de l'ordre du testa, un champ coercitif He important de l'ordre de 1000 kA/m et une temperature maximale d'utilisation de l'ordre de 25 250 a 300° C. Au-dela de cette temperature, la perte d'aimantation devient permanente. Les proprietes de ce materiau assurent a la membrane une robustesse elevee et une duree de vie fres importante. Par ailleurs, ce materiau peut etre depose en couche mince par des techniques classiques 30 comme ('evaporation sous vide ou la pulverisation cathodique. D'autres families de materiaux peuvent etre utilisees comme la famille des neodyme-fer-bore qui presentent une aimantation remanente et des champs coercitifs plus importants que la famille des samarium-cobalt mais dont la stabilite en temperature est plus faible. On citera egalement les 35 hexa-ferrites qui presentent, cette fois, une aimantation permanente et des champs coercitifs plus faibles que les aimants en samarium-cobalt. 7 Preferentiellement, la couche deposee sur ('electrode est un materiau magnetique « doux » de fagon a amplifier la force magnetique entre la membrane et ('electrode. Plusieurs materiaux ont les proprietes souhaitees. On peut utiliser un alliage conducteur en fer-nickel a faible 5 champ coercitif et forte aimantation. Ce materiau peut etre depose en couche mince par des techniques classiques comme ('evaporation sous vide ou la pulverisation cathodique. On peut egalement utiliser un ferrite isolant de type ferrite spinelle de nickel-zinc pour obtenir en plus un effet capacitif. Ce materiau possede 10 une permeabilite relative pouvant aller jusqu'a 250-300 en fonction de la stoschiometrie et de la phase cristalline du materiau depose. La encore, ce materiau peut etre depose en couche mince par des techniques classiques comme ('evaporation sous vide ou la pulverisation cathodique ou encore par ablation laser, technique connue sous l'acronyme « PLD », signifiant 15 « Pulsed Laser Deposition ». Le courant genere pendant les phases d'activation et de desactivation etant faible, les forces magnetiques generees restent faibles. Elles sont inversement proportionnelles a la distance separant la membrane 20 de ('electrode. La figure 10 represente cette force magnetique Fms en mode repulsion, pendant la phase de desactivation et la figure 11 represente cette force magnetique Fms en mode attraction, pendant la phase d'activation. Sur ces figures 10 et 11, les conventions suivantes ont ete adoptees, le point 25 cercle represente la direction du courant i circulant dans ('electrode 2, les lignes elliptiques representent les lignes de champ magnetiques LB creees par ce courant, la fleche noire horizontale represente le champ remanent BR dans la membrane, la fleche blanche verticale represente la force magnetique Fms s'exergant sur la membrane. 30 Comme on le voit sur la figure 2, lors de la charge, la distance separant la membrane de son electrode de commande est importante, le courant de charge est faible et I'effet de la force magnetique est relativement negligeable. Lors de la decharge representee en figure 5, l'effet est bien plus 35 significatif. En effet, le courant de decharge est plus important merne s'il dure moins longtemps que le courant de charge. Par ailleurs, la distance d separant la membrane de son electrode est beaucoup plus faible. Ainsi, 8 l'effet de repulsion n'est pas negligeable et contribue a faire decoller la membrane 1 de ('electrode 2. Plus precisement, soit un commutateur MEMS RF selon 5 ('invention comportant une membrane metallique mobile et une electrode et dont la membrane est a l'etat bas, au plus pros de ('electrode. On considere que le circuit de commande simplifie est constitue simplement d'un retour a la masse via une resistance R. On definit les notifications suivantes : A : surface en regard de la membrane et de ('electrode 10 d : distance separant la membrane de ('electrode a l'etat bas, distance correspondant a l'epaisseur de dielectrique D : distance separant la membrane de ('electrode a l'etat haut CO : permittivite du vide Er : permittivite relative de la couche recouvrant ('electrode 15 [to : permeabilite du vide pr : permeabilite relative de la couche recouvrant ('electrode Br : induction remanente du materiau magnetique de la membrane C : capacite de ('ensemble membrane-electrode 20 On a la relation classique : A C=E n.£ .- ,J r A ('instant to 00 le circuit de commande passe de la tension initiale Vo a 0 volt, la tension V(t) aux bornes du condensateur en fonction du temps t est donnee par ('expression : 25 0) = Vo.exp(--t j RC Le courant de decharge de la capacite au travers de la resistance de charge r est donnee par ('expression suivante : i(t)= C.dV dt V soit encore i(0=--' .exp(- ) R RC 30 Par consequent, le courant maximal i(t) vaut, a ('instant initial to : 9 Tio i(t0)=- R Ce courant genere un champ magnetique B(M) dont l'intensite B(t), a l'instant to vaut : B(to)= P°J(t° 2,r.d 5 La force de repulsion magnetique Fms(to) a l'instant to generee par ce champ magnetique Bo sur la membrane d'epaisseur e peut etre approximee par ('expression suivante : , pr./3, .A.e F,,,skto)=.B(to ) soit encore Po .d pr Fms kto )= Equation 1 27-c.d2 2g.d2.R 10 A l'instant initial to, deux autres forces s'exercent sur la membrane. La premiere est une force de rappel mecanique. Elle s'ajoute a Ia force magnetostatique. Cette force Fr vaut a l'instant initial : F,.(t0)=k.D Equation 2 k etant Ia constante de raideur de la membrane. 15 La seconde force est la force electrostatique Fes qui est due a la capacite de la membrane qui est encore chargee. Elle s'oppose a la force magnetostatique. Cette force Fes vaut a l'instant initial : Fes (t )= Equation 3 2.d A titre d'exemple non limitatif, pour donner des ordres de 20 grandeurs, la membrane est constituee d'un alliage magnetique en samarium-cobalt de formule chimique SmCo5, d'une epaisseur e de 1 pm, presentant une aimantation remanente Br de 1 tesla orientee conformement aux figures 10 et 11. La membrane est soumise a une tension Vo de 40 volts, la resistance de charge valant 10 kOhms. 25 Le materiau magneto-dielectrique utilise sur ('electrode est un ferrite spinelle de formule chimique Ni0.5Zn0.5Fe2O4. II presente une permittivite relative Cr de 10 et une permeabilite relative !Jr de 20. II a une 10 hauteur d de 200 nm et Ia surface A en regard de la membrane et de relectrode vaut 100 pm par 100 pm. Avec ces differents parametres, la capacite C vaut 4.4 pF, le courant initial i(to) vaut 4 mA, le champ magnetique B(to) vaut 4.103 T, la 5 force magnetostatique Fms(to) vaut 3.2.10-3 N, la force de rappel Fr(to) vaut 6.10-5 N et la force electrostatique Fes(to) vaut 1.8.10-2 N. Par consequent, la force electrostatique est, a ('instant initial oil la tension est coupee, superieure a la somme de Ia force de rappel mecanique et de la force magnetostatique. 10 Cette force, a ('instant initial, est suffisante pour maintenir la membrane plaquee contre relectrode. Cependant, comme on le voit dans requation 3, cette force d'attraction decroit avec le carre de la tension V alors que la force de repulsion magnetostatique decroit lineairement avec la tension V cornme on le voit dans requation 1, sa decroissance est donc 15 moins rapide. La force de rappel mecanique est independante de la tension V. Les courbes de la figure 12 representent revolution de ces trois forces en newtons au cours du temps, rechelle des temps partant de ('instant initial et s'etendant jusqu'a 300 ns, rechelle des newtons etant logarithmique. 20 La premiere courbe en traits pointilles fins represente la force electrostatique Fes(t), la seconde courbe en traits pointilles espaces represente la force magnetostatique Fms(t) et la troisierne courbe en trait continu represente la force de rappel Fr(t). La premiere courbe de la figure 13 en pointilles represente la 25 resultante des forces s'exercant sur la membrane dans le cas oia it y a absence de Ia force de repulsion magnetostatique. La seconde courbe en traits continus de la figure 13 represente la resultante des forces s'exercant sur Ia membrane dans le cas ou it y a presence de la force de repulsion magnetostatique. La premiere courbe est donc representative d'un MEMS 30 selon ('art anterieur et la seconde courbe d'un MEMS selon ('invention. Dans le premier cas, Ia force de rappel I'emporte sur la force electrostatique au bout de 125 ns, dans le second cas, Ia force de repulsion magnetostatique I'emporte sur la force electrostatique au bout de 75 ns, soit un gain de temps de 50 ns qui n'est pas negligeable, compte-tenu des temps 35 de reaction de ce type de composant. De plus, le maximum de Ia force resultante lorsqu'il y a presence de la force magnetostatique est superieur d'environ 150 IAN a celui de la force resultante lorsqu'il y a absence de la 11 force magnetostatique, facilitant d'autant le decollage de la membrane et accelere son retour a l'etat haut. Ainsi, un commutateur MEMS-RF selon ('invention a de meilleures performances tant en temps de remontee qu'en force de rappel qu'un 5 commutateur MEMS-RF selon l'art REVENDICATIONS1. Commutateur MEMS-RF comportant une membrane metallique (1) disposee au-dessus d'une electrode de commande (2), caracterise en ce que Ia membrane et ('electrode de commande sont realisees en materiaux ferromagnetiques ou comportent au moins une couche de materiau ferromagnetique. 2. Commutateur MEMS-RF selon la revendication 1, caracterise en ce qu'au repos, la membrane etant sensiblement plane et maintenue audessus de ('electrode de commande par deux piliers, la deformation de la membrane se faisant selon un axe perpendiculaire a ce plan et selon une direction joignant les deux piliers, ('electrode de commande etant alimentee par une ligne (22) de commande en courant, ladite ligne de commande est disposee de fawn que le sens de l'intensite du courant soit perpendiculaire audit axe et a ladite direction de fawn que les forces magnetiques creees par led it courant soient paralleles a l'axe de deformation. 3. Commutateur MEMS-RF selon l'une des revendications precedentes, caracterise en ce que le materiau ferromagnetique de Ia membrane possede une aimantation permanente appelee aimantation remanente. 4. Commutateur MEMS-RF selon la revendication 3, caracterise en ce que le materiau ferromagnetique de la membrane est un alliage de samarium-cobalt ou un alliage de neodyme-fer-bore ou un hexaferrite de baryum ou de strontium. 5. Commutateur MEMS-RF selon l'une des revendications precedentes, caracterise en ce que le materiau ferromagnetique de ('electrode de commande est un alliage conducteur en fer-nickel. 6. Commutateur MEMS-RF selon l'une des revendications 1 a 4, 35 caracterise en ce que le materiau ferromagnetique de ('electrode de commande est un ferrite isolant. 13 7. Commutateur MEMS-RF selon la revendication 6, caracterise en ce que ferrite isolant est un ferrite spinelle de nickel-zinc. 8. Commutateur MEMS-RF selon I'une des revendications 5 precedentes, caracterise en ce que la couche de materiau ferromagnetique est deposee par evaporation sous vide ou par pulverisation cathodique ou par depot par ablation laser. 9. Commutateur MEMS-RF selon I'une des revendications 10 precedentes, caracterise en ce que l'epaisseur de la membrane est comprise entre 0.5 micrometre et 1.5 micrometre. 10. Commutateur MEMS-RF selon I'une des revendications precedentes, caracterise en ce que l'epaisseur de la couche de materiau 15 ferromagnetique de ['electrode est comprise entre 100 nanometres et 300 nanometres. 11. Commutateur MEMS-RF selon I'une des revendications precedentes, caracterise en ce que la largeur de la membrane est comprise 20 entre 50 micrometres et 150 micrometres et sa longueur est comprise entre 200 micrometres et 400 micrometres.