Les travaux réalisés lors de cette thèse ont pour objectif la fabrication de filtres accordables fort Q0. Pour cela nous nous sommes naturellement orienté vers des structures volumiques puisque elles permettent l’obtention de Q0 important. Nous avons également utilisé des éléments d’accord permettant de maximiser ce Q0, tels que des MEMS-RF ou bien encore des patchs de Matériaux à Transition de Phase (PTM) comme le dioxyde de vanadium (VO2). Nous avons démontré lors de notre étude que ces dispositifs garantissaient des Q0 supérieurs à 1000 sur une large plage d’accord. / This work is based on the fabrication of High-Q tunable filters. We looked at cavity filters since they allow us to achieve a high Q0. We also used RF-MEMS or vandium Dioxyde as tuning element. Since they provide a high-Q tuning. We have demonstrated Q0 better than one thousand over a wide tuning range.

Les MEMS RF sont des composants clés pour le développement de nombreuses fonctions de systèmes hyperfréquences plus efficaces et plus compactes (déphaseurs, module transmission/réception, réseau d’antennes à déphasage, circuits reconfigurables, réseau d’adaptation …). Pour le développement des prochaines générations de systèmes RADAR, Thales s’intéresse notamment à l’intégration de MEMS RF capacitifs pour développer des fonctions reconfigurables pouvant supporter des puissances hyperfréquences de l’ordre de 30 W. Les travaux exposés dans ce manuscrit se sont concentrés sur l’étude de matériaux diélectriques et de techniques de dépôts pour identifier, intégrer et démontrer la viabilité de diélectriques prometteurs pour les MEMS RF capacitifs de puissance. Les aspects relatifs à la fabrication de ces composants ont également été étudiés, particulièrement l’impact de la maitrise des états de surface sur les performances, la tenue en puissance et la défaillance des dispositifs. En outre, ces travaux ont montrés qu’avec l’introduction des matériaux déposés par ALD, la tenue en puissance des MEMS RF capacitifs n’est plus limitée par le diélectrique. En intégrant ces matériaux ALD, l’architecture des dispositifs devient le facteur limitant la tenue en puissance, particulièrement l’épaisseur de la membrane et la configuration du commutateur. En perspectives, différentes architectures ont donc été développées et étudiées pour adresser ces limitations de tenue en puissance. / RF MEMS are key components to improve the efficiency and size of numerous functions of microwave systems (Phase shifter, transmission/reception module, antennas array, reconfigurable systems, impedance matching…). To develop the next generation of RADAR systems, Thales takes special interest in the integration of capacitive RF MEMS devices to demonstrate reconfigurable functions with power handling capabilities up to 30 W. The work reported in this thesis did focus on the study of dielectric materials and deposition techniques to identify, integrate and demonstrate the advantages of promising dielectrics for capacitive RF MEMS power handling. The components fabrication aspects have also been studied, especially the impact of surface state quality on performances, power handling and devices failure mechanisms. Furthermore, this work did point out that with the integration of ALD material, power handling of capacitive RF MEMS is no longer limited by the capacitance dielectric. Furthermore, with the integration of ALD material the components design become the limiting factor for power handling, particularly the membrane thickness and the switch configuration. To open new prospects, several designs have been developed and studied to address these power handling limitations.

Ce travail porte sur l'étude d'antennes agiles en directivité et polarisation, et de leurs circuits d'alimentation. Cette agilité est obtenue au moyen de différents éléments actifs dont les propriétés sont mises à profit pour modifier le fonctionnement électromagnétique des antennes. Des composants semi-conducteurs classiques comme les diodes PIN ou les varactors sont ainsi reportés sur des circuits d'alimentation des antennes selon les techniques MIC (microwave integrated circuit). Une architecture innovante de coupleur reconfigurable à base de varactors est proposée, étudiée et théorisée. Ce coupleur hybride est associé à une antenne à double alimentation orthogonale. Le système complet permet une reconfiguration de la polarisation de l'onde rayonnée par l'antenne, allant d'une polarisation parfaitement linéaire à une polarisation circulaire. Les mesures de cette antenne montrent un rapport axial pour la polarisation circulaire de 0,8dB. Une seconde application proposée permet de réaliser électroniquement une variation sur un angle de 90° de la direction de polarisation d'une antenne. Les mesures montrent qu'une polarisation linéaire de qualité est conservée tout au long de la rotation. Dans une troisième étude, une antenne microruban est associée à deux éléments parasites sur un même substrat. En modifiant la réactance de charge des deux éléments parasites, une reconfiguration du diagramme de rayonnement de l'antenne est observée. Enfin, différentes solutions sont proposées pour alimenter un réseau linéaire. Une première solution utilisant deux coupleurs hybrides en mode réflexion et des diodes PIN permet de réduire le nombre de composants nécessaires à la conception. Un second déphaseur basé sur le coupleur reconfigurable et la méthode de la sommation des vecteurs en quadrature est étudiée. Ce déphaseur est associé à un réseau de deux antennes pour modifier l'angle de focalisation du réseau. Enfin, une solution totalement intégrée sur Silicium haute résistivité à 60 GHz utilisant des composants microsystèmes est étudiée et réalisée grâce au procédé micro-électronique de la société MEMScap. Les déphaseurs utilisent la technique des lignes commutées. Des commutateurs MEMS de type série et parallèles sont conçus, simulés et réalisés. Le système final occupe une place de 0,5*1mm².

La fin des années 1990 a été marquée par une profonde mutation des applications utilisant les systèmes électroniques radiofréquences et micro-ondes. Depuis, de très nombreux dispositifs innovants et performants ont été développés. Malgré leurs performances très attrayantes, les succès commerciaux de ces dispositifs restent limités en raison notamment de problèmes de fiabilité qui subsistent toujours et retardent leurs industrialisations. Cette étude concerne l'amélioration de la fiabilité des micro-interrupteurs à actionnement électrostatique dont le mécanisme de défaillance principal est lié à l'accumulation de charges dans les couches isolantes lors de l'actionnement. La thématique de cette thèse porte donc sur le développement d'outils de caractérisation permettant d'évaluer les performances des différents diélectriques utilisés dans les micro commutateurs RF capacitifs pour systèmes électroniques hautes fréquence. L'objectif de la première partie est de présenter à la fois des généralités sur les différents types de commutateurs RF, de passer en revue les mécanismes de chargement des diélectriques présents dans ces composants, puis de présenter les objectifs détaillés du travail de thèse. La seconde partie de nos travaux est dédiée à l'étude des caractéristiques physico-chimiques des différents dépôts de nitrure de silicium PECVD utilisés dans la filière technologique du composant, ainsi qu'à la description des pré-requis nécessaires à la mise en place des matériaux déposés par plasma, afin de relier le comportement électrique des couches à leur structure et leur composition. Une analyse de la composition chimique et de la stSchiométrie des films a été réalisée par analyse FTIR et RBS. Lors de la troisième partie une structure MIM est utilisée. Ce type de structure de test élémentaire présente des avantages par rapport à un micro commutateur RF : simplicité de fabrication, contrôle de la qualité du contact, suppression des effets mécaniques. Elle permet donc d'é tudier la réponse du diélectrique à se charger sans avoir à prendre en compte des défauts de contact ainsi que les effets mécaniques toujours présents dans un micro-commutateur. Enfin, les nano caractérisations par AFM sont présentées. Il s'agit d'une nouvelle méthode de caractérisation développée pour la première fois au LAAS pour évaluer la capacité d'une couche diélectrique à se charger sous champ élevé. En effet, cette technique a permis de tendre vers les conditions réelles d'utilisation du micro commutateur en réalisant une injection de charges localisée puis en suivant l'évolution spatio-temporelle des charges en condition de circuit ouvert.

Au cours des dernières années, l'essor spectaculaire des microsystèmes (ou MEMS), qui touche tous les domaines industriels, est à l'origine de nombreux et nouveaux progrès technologiques. Néanmoins, dans ce contexte prometteur de large envergure, la fiabilité des MEMS s'avère être la problématique à améliorer pour franchir la phase d'industrialisation à grande échelle. C'est dans le cadre de cette thématique de fiabilité des microsystèmes, que s'inscrit ce travail.La température étant un paramètre majeur entrant dans de nombreux mécanismes d'endommagement des MEMS, notre étude présente la conception et la réalisation d'un banc de thermographie infrarouge de haute résolution (2 µm), associé à la mise en œuvre d'une méthodologie d'analyse et de traitement des mesures infrarouges.Ce dispositif innovant permet un diagnostic in-situ, sans contact et rapide des défaillances des MEMS par mesures locales et quantitatives des pertes thermiques associées. Cet outil constitue une avancée importante pour détecter, mesurer et comprendre les mécanismes d'endommagement des MEMS. Il nous permet de reconstituer des images thermiques de tout type de microsystème en cours de fonctionnement ou soumis à des tests de vieillissement accéléré, et ceci afin de réaliser une analyse fine et rapide de leur fiabilité.Ce travail apporte de nouveaux résultats en ce qui concerne la détection des mécanismes de défaillance de différents types de MEMS-RF et tout particulièrement des MEMS-RF avec contact électrique.

De nos jours, les modules hyperfréquences doivent de plus en plus présenter non seulement des performances électriques sans cesse améliorées mais aussi des fonctionnalités nouvelles ainsi que de fortes compacités, et des coûts de fabrication les plus réduits possibles. Les perspectives attractives apportées par l'utilisation des technologies SiGe permettent aujourd'hui d'envisager la réalisation de circuits intégrés jusqu'aux fréquences millimétriques tandis que, dans le même temps, le développement rapide des technologies MEMS RF permet de réaliser de nouvelles fonctionnalités au niveau des circuits radiofréquences. Dans la première partie de ce mémoire, nous proposons un concept d'amplificateur faible bruit reconfigurable en fréquence (HIPERLAN et BLUETOOTH), basé sur l'association des technologies SiGe et MEMS RF. Conception et performances simulées des amplificateurs élaborés à la fois pour une intégration monolithique et une autre par fil de souduresont alors présentées. La deuxième partie est entièrement consacrée à la conception et la réalisation des MEMS RF suivant les spécifications que nous avons établi lors de la première partie. Conception, réalisation et caractérisation des structures MEMS RF sont présentés, pour aboutir à l'obtention de performances situées à l'état de l'art pour des capacités autant séries que parallèles. La dernière partie, traite de l'assemblage entre les deux technologies MEMS et SiGe, avec trois études réalisées sur une intégration monolithique dite « Above IC », un assemblage par fils de soudure et un assemblage Flip Chip. Au final, des modules de test assemblés sont présentés et caractérisés

Ce travail vise à trouver une technique de test rapide et peu onéreuse pour les interrupteurs MEMS RF embarqués dans les SiPs (System-in-Package). La complexité des SiPs RF exige une stratégie de conception en vue du test (DFT, Design-for-Test) afin d'éviter l'utilisation d'équipements sophistiqués de test, aussi bien que de surmonter les difficultés d'accès aux points de mesure embarqués. L'approche proposée utilise le principe du test alternatif qui remplace des procédures de test à base des spécifications conventionnelles. L'idée de base est d'extraire les performances haute fréquence de l'interrupteur à partir des caractéristiques basse fréquence du signal d'enveloppe de la réponse. Ces caractéristiques, qui incluent le temps de montée, le temps de descente, ou les amplitudes maximales du signal dans les états ON et OFF, sont alors utilisées dans un processus de régression pour prédire des spécifications RF comme les paramètres /S/. Un banc de test a été configuré et utilisé pour évaluer une dizaine d'échantillons d'un commutateur commercial. Des mesures expérimentales ont été réalisées avec un kit d'évaluation développé par notre partenaire industriel et un kit d'évaluation du développeur. Les mesures de basse fréquence comme le temps de transition ON/OFF et les amplitudes RF de la sortie sont utilisées comme régresseurs pour l'algorithme de régression multivariée qui construit une liaison non-linéaire entre les caractéristiques de basse fréquence et les performances RF de l'interrupteur. Ainsi, des performances conventionnelles comme les paramètres /S/ sont prédites à partir de ces mesures par la régression non-linéaire. Les résultats ont exposé une bonne corrélation entre les performances RF et les mesures de basse fréquence. La validation expérimentale a seulement été réalisée pour un petit échantillon d'interrupteurs. Les résultats de simulation ont aussi été utilisés pour évaluer cette corrélation.

L'introduction des technologies MEMS ("Micro Electro Mechanical Systems") dans les modules hyperfréquences répond au besoin croissant en systèmes de communications intégrables, reconfigurables et présentant d'excellentes performances électriques jusqu'aux fréquences millimétriques. Le développement de nouvelles architectures intelligentes jusque là inaccessibles aux technologies traditionnelles est également envisageable grâce à ces composants. Cela dit, la conception multi-physique de ces circuits alliant des aspects électrostatiques, mécaniques et électromagnétiques reste difficile à mettre en Suvre et complique leur optimisation. De plus, peu de recherches se sont focalisées sur la tenue en puissance de ces composants, pourtant primordiale pour envisager leur intégration dans des chaînes d'émission radio fréquences. Nos travaux de thèse ont porté sur la conception et la caractérisation de micro-interrupteurs MEMS de puissance et de circuits hyperfréquences les intégrant et opérant en bande X (10GHz). Le premier chapitre présente une méthodologie multi-physique de conception de commutateurs MEMS RF électrostatiques à contact capacitif réalisés au Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes. Cette méthodologie, associée à une topologie optimale de micro-commutateurs, a permis un prototypage efficace de commutateurs MEMS et a été validée expérimentalement grâce à des structures montrant d'excellentes performances hyperfréquences. Le second chapitre s'intéresse à l'optimisation en puissance de commutateurs MEMS RF. Nous avons développé une méthodologie de prédiction de la puissance maximale de fonctionnement pour ces composants. Cette méthodologie a été ensuite utilisée pour loptimisation en puissance du commutateur développé dans le chapitre 1. Un dimensionnement ainsi que lensemble des résultats de simulations sont présentés et validés expérimentalement. Enfin le dernier chapitre présente la mise en application des méthodologies décrites aux deux premi ers chapitres pour la conception d'un circuit de commutation de puissance large bande 6-18 GHz basé sur des topologies série et parallèle d'interrupteurs MEMS. Les structures ont ainsi été optimisées, fabriquées et mesurées. Elles présentent dexcellentes performances RF sur une large gamme de fréquence.

Mes recherches se placent dans ce cadre général du développement de nouveaux microsystèmes pour différentes applications. Le cheminement scientifique général que j'essaye d'appliquer à l'ensemble de mes activités peut être décrit par quatre phases dont la durée varie en fonction des thèmes, des moyens mis en œuvre et de l'environnement : Validation de nouveaux concepts, Optimisation des dispositifs en rapport avec un cahier des charges, Etude de fiabilité, Transfert industriel. Les trois premières phases mettent en œuvre des cycles de travaux que l'on peut classer en trois catégories : Conception/Simulation, Fabrication, Caractérisation/Modélisation. Pour chaque phase, un nombre plus ou moins important de cycles est alors nécessaire afin d'arriver à une modélisation acceptable du dispositif qui correspond à une compréhension correcte de son fonctionnement. C'est cette démarche qui m'a amené progressivement à travailler sur trois thématiques scientifiques : les capteurs de pression qui sont dans la phase de transfert industriel, les MEMS RF qui se trouvent dans la phase d'étude de fiabilité et les capteurs sans fil passifs à transduction électromagnétique qui restent encore en grande partie dans la phase de validation des concepts. Mes recherches se placent dans ce cadre général du développement de nouveaux microsystèmes pour différentes applications. Le cheminement scientifique général que j'essaye d'appliquer à l'ensemble de mes activités peut être décrit par quatre phases dont la durée varie en fonction des thèmes, des moyens mis en œuvre et de l'environnement : Validation de nouveaux concepts, Optimisation des dispositifs en rapport avec un cahier des charges, Etude de fiabilité, Transfert industriel. Les trois premières phases mettent en œuvre des cycles de travaux que l'on peut classer en trois catégories : Conception/Simulation, Fabrication, Caractérisation/Modélisation. Pour chaque phase, un nombre plus ou moins important de cycles est alors nécessaire afin d'arriver à une modélisation acceptable du dispositif qui correspond à une compréhension correcte de son fonctionnement. C'est cette démarche qui m'a amené progressivement à travailler sur trois thématiques scientifiques : les capteurs de pression qui sont dans la phase de transfert industriel, les MEMS RF qui se trouvent dans la phase d'étude de fiabilité et les capteurs sans fil passifs à transduction électromagnétique qui restent encore en grande partie dans la phase de validation des concepts.

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont axés sur la caractérisation et l'analyse des mécanismes de défaillances qui apparaissent dans une nouvelle famille de composants microondes : les MEMS-RF (Systèmes Micro-Electro-Mécanique RadioFréquence). Si ces composants ont rapidement suscité beaucoup d'espoirs pour résoudre un grand nombre de verrous concernant les nouvelles architectures de communication, il est apparu que la fiabilité de ces composants a énormément ralenti leur développement industriel. De plus, ces micro-commutateurs résultent d'un couplage multi-physique qui a ajouté une forte complexité et une difficulté de compréhension de leur fonctionnement et donc leur fiabilité. Actuellement, de nombreux et intenses efforts sont réalisés par la communauté scientifique (universitaire et industrielle), car ce sujet reste ouvert à de nombreuses questions et problèmes non résolues. Ce document se propose d'apporter une contribution sur ce sujet à la fois sur le plan expérimental, théorique et technologique.