Bi-stable RF-MEMS Switched Capacitor Based on Metal-to-Metal Stiction

International audienceThis paper presents a new concept for the realization of a bi-stable RF-MEMS switched capacitor using a resistive contact. The main idea is to maintain the device in a given position using metal-to-metal stiction. The metal-to-metal contact is used only for mechanical purposes and has no electrical function. 20 Volts, 10 μsec pulses are used to switch the device from one stable position to the other. After disconnection, the device maintains its position with extremely little change over long periods. 0.06% on-state capacitance relative shift has been measured over 4 days with daily control, and lab environment closet storage. 5 minutes periodic cycling shows very little drift in both states of the RF-MEMS capacitor. Moreover, the device is fabricated using MEMS conventional processing steps permits to obtain capacitive contrast of 3

CONCEPTION, REALISATION ET TEST DE MICROCOMMUTATEURS<br />MICRO-ELECTROMECANIQUES ET<br />APPLICATION AUX CIRCUITS HYPERFREQUENCES<br />RECONFIGURABLES

Since few years, the MEMS technology for microwave applications has grown up with the potential toimprove the circuit and device performances. Several components have been designed and demonstrate animportant reduction of loss and a higher linearity than their main counterparts: the semi-conductor components.This work investigates the MEMS switches design and their integration in tunable microwave systems.Thus, we first present a state of art of this MEMS technology and the MEMS microwave devices. Themicromachined switches operation is investigated. The main advantages, drawbacks and some applicationswhere these components could improve the performances are discussed.The second part of this work is dedicated to the mechanical and electromagnetical design of a DCcontact switch. The main objective of this work was to realise a reliable component which present goodperformances. The switch optimisation is presented and discussed with the corresponding mechanical andelectric measurements.The last part of this memory addresses the development of new switchable microwave circuit topologyincluding DC contact micro relays. Three applications are discussed; some tunable filters are developed with ahigh tuning in frequency (22% for the first one and 44% for the other). We also present how to preserve thedevice losses to a low level, and keep high the quality factor of these systems.Key words: MEMS, micromechanical devices, micro-relays, switches, electrostatic actuation, contact resistance,biasing network, reconfigurable systems, tunable filters, quality factor.La technologie MEMS pour les applications hyperfréquences, s'est développée depuis quelques annéesavec pour objectif d'améliorer les performances des circuits et dispositifs microondes. De nombreux composantsont été développés, démontrant alors une importante réduction des pertes et une plus grande linéarité que leursprincipaux concurrents: les composants semi-conducteurs. Notre étude a porté donc sur la conception d'unmicro-commutateur et son intégration dans des circuits microondes reconfigurables.Dans un premier temps, nous présentons dans le manuscrit un état de l'art de la technologie MEMS etdes composants hyperfréquences qui en résultent. Le fonctionnement de commutateurs micromécaniques y estplus particulièrement étudié. Les principaux atouts et limitations sont également présentés avec quelquesdomaines d'application où ces composants peuvent contribuer à une amélioration de performances.La seconde partie de ces travaux est dédiée à la conception mécanique et électromagnétique d'un microcommutateurà contact ohmique. L'objectif de cette étude était de réaliser un composant fiable avec de bonnesperformances. L'optimisation de ce composant y est présentée, validée par des performances mécaniques etélectriques des dispositifs réalisés.La dernière partie de ces travaux concerne le développement de nouvelles topologies de circuitshyperfréquences reconfigurables équipés de micro-commutateurs à contact ohmique. Nous y présentons troisapplications dont la conception de filtres passe-bande avec un accord discret sur une large plage de fréquences(20% et 44% d'accord). Nous montrons également comment maintenir les pertes de ces dispositifs à un faibleniveau, en conservant les facteurs de qualité de ces composants reconfigurables à une valeur élevée

An All-Metal RF-MEMS Switch With Large Displacement and Reduced Mechanical Creep

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Capacités commutées MEMS-RF bistables utilisant les forces d'adhérence intrinsèques d'un contact métal-métal

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Conception de capacités commutées MEMS RF miniatures et application à la reconfiguration rapide de déphaseurs

This work presents design of fast miniature RF MEMS switched capacitors and their application to Distributed MEMS Transmission Line phase shifters. The goal is to increase the switching speed since it is currently rarely under the microsecond. Thus, an original geometry has been studied and geometrical dimensions of the micromechanical beam have been optimized. Mechanical and RF measurements have also been done to validate theoretical results and to characterize the fabricated components. These miniature RF MEMS switched capacitors have been implemented on distributed lines to achieve fast phase shifting operations based on micromechanical systems. Switching time, return loss and insertion loss measurements are also presented.LIMOGES-BU Sciences (870852109) / SudocSudocFranceF

Commutateur Mécanique à Nano Gap pour l'Electronique Embarquée

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Conception et réalisation de bio-capteurs électromagnétiques pour l'analyse cellulaire aux fréquences micro-ondes

Les récentes avancées en microélectronique ainsi que les importants besoins dans le domaine biomédical suscitent actuellement un vif intérêt pour l étude de bio-capteurs dont la miniaturisation permet de travailler proche de l échelle cellulaire. Une analyse rapide et précise de tels éléments biologiques devient alors possible avec une sensibilité accrue. Ainsi, ces travaux de thèse concernent la mise au point de micro bio-capteurs innovants basés sur une méthode de détection électrique, sans marquage, aux fréquences micro ondes. Entre autres, nous démontrons l intérêt d utiliser des résonateurs ou filtres microondes planaires comme dispositifs d étude de cellules uniques et nous développons une méthode de bio-détection originale permettant de discriminer différents types cellulaires en fonction de leur propriétés diélectriques. L étude de cellules souches cancéreuses est aussi débutée et démontre le fort potentiel des capteurs développés pour les applications de tri cellulaire.Recent progress in micro technologies and important needs in biomedical field have risen up a great interest in the development of miniaturized biosensors for cell scale analysis. Sensibility of such devices is enhanced allowing one single cell analysis. This work deals with the development of new micro biosensors based on an electronic bio detection method, for label free cell scale analysis using microwave frequencies. The interest in using planar microwave resonators or filters for the analysis is demonstrated. An original bio detection method has been developed allowing analysis at one single cell scale and leading to discriminate different cell types thanks to their own dielectric parameters. Study on cancerous stem cells has been also begun proving the high potential of fabricated biosensors for accurate cell sorting.LIMOGES-BU Sciences (870852109) / SudocSudocFranceF

Double Standard MEMS Tunable Filter.

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SOI-Based Packaging for RF-MEMS

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