Soutenance mémoire
Les télécommunications connaissent un développement extraordinaire tant les possibilités d’applications sont prometteuses et nombreuses. Cette évolution entraîne une forte demande de circuits électroniques hautes fréquences miniatures, fabriqués à faible coût tout en offrant des fonctionnalités toujours plus complexes et performantes. C’est pour répondre à ces exigences que l’industrie de la microélectronique se dirige progressivement vers l’intégration complète de fonctions électroniques analogiques et numériques sur une même puce en développant des technologies qui permettent de plus de faibles puissances de consommation. Ainsi l’augmentation de la finesse de gravure est une voie largement suivie pour les composants actifs. En revanche, les composants passifs ne connaissent pas une telle évolution, et leur miniaturisation ne peut être réalisée aussi « facilement », notamment pour ce qui concerne les composants inductifs.
Actuellement, les inductances sont principalement intégrées sous forme de spirales à deux dimensions. Ces dispositifs peinent à remplir les contraintes de densités d’intégration et de niveaux de performance souvent requis par l’application. Plusieurs approches ont été développées pour améliorer ainsi les caractéristiques de ces composants comme l’intégration de matériaux magnétiques, pour augmenter l’inductance par unité de surface et stocker plus d’énergie magnétique dans un espace confiné, ou l’utilisation de technologies 3D pour limiter l’extension des lignes de champ dans le substrat. Ces approches souffrent principalement de leur grande complexité, du coût important des processus nécessaires et de l’incompatibilité de ces processus pour une intégration sur les substrats sur lesquels des composants actifs sont déjà intégrés. L’objectif de notre travail de thèse a donc consisté à développer une technologie faible coût pour la réalisation de structures inductives tridimensionnelles à fort coefficient de qualité et de densités d’intégration élevées.
Inductances et transformateurs intégrés
Définitions
L’inductance solénoïde par définition est un dipôle formé d’une ou de plusieurs spires de fil conducteur enroulées autour d’un noyau . Ce noyau peut être isolant ou réalisé en matériau magnétique canalisant les lignes de champ.
Lorsque l’inductance est parcourue par un courant, celui-ci crée un champ magnétique H qui donne naissance à un flux φ à travers chacune des spires de l’inductance. Le flux total Ф à travers le solénoïde est la somme des flux à travers chaque spire : Ф=nφ. L’inductance L est définie comme le rapport du flux par l’intensité du courant parcourant le circuit.
L= Ф/l (I.1)
Lorsque deux inductances sont proches, le flux magnétique généré par l’une des inductances peut traverser l’autre en partie, lorsque ce flux est variable cela induit une force électromotrice dans la deuxième inductance. Le couplage total est obtenu lorsque la totalité du flux est entièrement partagé par les deux inductances. Lorsque ce n’est pas le cas, pour chaque inductance sont définis un flux de fuite et un flux total qui traversent l’inductance considérée, somme du flux mutuel et du flux de fuite .
Dans le cas le plus simple, le modèle équivalent d’une structure inductive est constitué d’une inductance parfaite L1 en série avec une résistance R1 qui rend compte de la valeur finie de la conductivité du métal utilisé pour former cette inductance .
Applications
Les structures inductives sont des composants passifs qui entrent dans la constitution de nombreux circuits qui constituent un système radiofréquence d’émission/réception RF .
Les performances des circuits de l’émetteur-récepteur RF sont étroitement liées aux performances des composants passifs qui les constituent, et en particulier à celles des inductances. Nous allons voir maintenant plus en détails, les spécificités requises pour ces dernières, en fonction des différents circuits nécessaires à l’émetteur/récepteur RF.
• Les inductances pour l’amplificateur faible bruit
L’amplificateur faible bruit (LNA) est le premier étage de gain sur le chemin de réception. L’objectif d’un tel circuit est de générer un gain suffisant pour relever le niveau du signal reçu mais également en s’affranchissant du bruit produit par les étages suivants. Le LNA doit offrir des performances en bruit les meilleures possibles. Il doit aussi fournir une linéarité suffisante en sortie pour respecter les contraintes de dynamique et de linéarité imposées par le cahier des charges.
Dans un tel circuit, les performances d’une inductance intégrée influencent fortement les performances de l’amplificateur faible bruit. La courbe du facteur de bruit montre que l’augmentation du facteur de qualité de l’inductance de 8 à 40 permet d’obtenir un facteur de mérite compris entre 0,75 à 1,2/mW.
• Les inductances pour l’oscillateur contrôlé en tension
L’oscillateur contrôlé en tension (VCO) fait partie du synthétiseur de fréquences. Son rôle est de générer le signal de référence qui est par la suite utilisé pour la translation en fréquence des signaux. Les spécifications clés d’une telle application se résument en deux points qui sont : la consommation de puissance et la performance en bruit de phase. L’une des méthodes utilisées pour la réduction du bruit de phase est d’avoir un facteur de qualité du circuit élevé.
La courbe de puissance présentée montre que le principal bénéfice lié à l’utilisation d’une inductance ayant un bon facteur de qualité est la diminution de la puissance consommée. En effet, la multiplication par cinq le facteur de qualité a permis de diviser par 3,5 la consommation du circuit. L’inductance de bon facteur de qualité permet aussi de diminuer le bruit de phase du circuit [2] .
Filtre passe bande
Dans l’architecture spécifique de l’émetteur-récepteur RF, sur le chemin de réception un filtre passe-bande avec une faible insertion de perte est nécessaire pour sélectionner la bande de fréquence. Dans la partie d’émission, un filtre passe-bande est utilisé pour laisser passer le signal voulu et éliminer (ou atténuer) les fréquences harmoniques parasites, principalement à l’étage de sortie de l’amplificateur de puissance .
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Table des matières
Introduction générale
CONTEXTE DE L’ETUDE
Introduction
Inductances et transformateurs intégrés
Définitions
Applications
Etat de l’art des techniques d’intégration des composants inductifs
Type d’inductance/transformateur
Méandre
Spirale
Solénoïde
Synthèse et choix de la topologie optimale
Technologies de fabrication
Technologie Micro-usinage
Technologie de fabrication LTCC
Technologie Above-IC
Synthèse et choix de la technologie de fabrication
Conclusion
References
CONCEPTION D’INDUCTANCES ET DE TRANSFORMATEURS SOLENOIDAUX
Introduction
Origine des pertes dans une structure inductive intégrée
Pertes dans les métallisations
Pertes dans le substrat
Simulation électromagnétique de la structure inductive solénoïde
Modèle de simulation de l’inductance sous HFSS
Optimisation des performances des inductances étudiées
Critère d’évaluation des performances d’une inductance : Le facteur de qualité
Circuit électrique équivalent
Performances visées
Description du solénoïde étudié
Dimensionnement de l’inductance
Influence de l’épaisseur de conducteur
Influence de largeur de piste W
Influence de l’espacement entre les spires S
Influence du rapport de forme hauteur/largeur du noyau
Paramètres géométriques retenues pour la fabrication des inductances
Optimisation des performances des transformateurs
Paramètres électriques étudiés
Performances visées
Dimensionnement des transformateurs
Influence de la largeur de piste W
Influence de l’espacement entre les spires S
Paramètres géométriques retenues pour la fabrication des transformateurs
Conclusion
Références
INFLUENCE DE L’ENVIRONNEMENT DE MESURE SUR L’EXTRACTION DES PERFORMANCES DES DISPOSITIFS A FORT COEFFICIENT DE QUALITE
Introduction
Mise en évidence d’un problème de caractérisation des inductances
Cas d’un solénoïde
Cas d’une inductance spirale
Caractérisation à l’aide de différentes pointes RF
Reproduction et analyse du problème en simulation
Intégration de la pointe RF dans la simulation EM
Extraction des puissances absorbées et de l’énergie stockée à partir des champs E et H
Représentation du problème par les facteurs de qualité
Validation expérimentale de l’hypothèse d’un rayonnement électromagnétique
Solutions visant à réduire le rayonnement parasite
Plan de masse commun à un ensemble de structures de test
Dimensionnement de l’anneau métallique entourant l’inductance
Application à de nouvelles structures test
Inductance
Transformateur
Conclusion
Références
FABRICATION ET CARACTERISATION DES DEMONSTRATEURS
Introduction
Développements technologiques
Procédé technologique
Dessin de masques
Mesure des performances RF des composants réalisés sur silicium
Résultats de caractérisation des inductances
Résultats de caractérisation des transformateurs
Mesure des performances RF des composants fabriqués sur substrat verre
Dépôt d’un film sec de résine époxy
Caractérisation du film sec de résine époxy
Résultats de caractérisation des structures inductives
Inductances
Comparaison de nos inductances RF avec l’état de l’art
Transformateurs
Comparaison des transformateurs RF fabriqués avec l’état de l’art
Conclusion
Références
Conclusion générale
