Design, modelization and realization of integrated inductive components for low power supplies and microsystems

Full integration of energy conversion devices for compact power supply circuits is still encountering strong technological locks, especially to integrate passive inductive and capacitive components. The increasing working frequency of those devices, which already reaches 1 Megahertz, would enable the size reduction of passive components and then their integration. Nevertheless, losses, which highly depend on frequency and technology, may complicate or even stop this increase.\ud The objective of this thesis is the systematic study of integrated inductors structures through the developing of precise modeling and simulating methods on the frequency range from 0Hz to 1GHz. First, an analytic model based on PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) method has been developed. This modeling approach has been adapted to the studied components: rotational symmetry, not negligible section conductors, inhomogeneous media, etc… The final model splits the physical study of the component into two steps: electromagnetic computations on subparts of the set (partial elements) and global frequency response calculus with the equivalent electrical models of the subparts. A full process for the technological realization of inductive components has also been achieved in order to experimentally verify the modeling. The improvement of design resolution and increase of copper electroplating thickness, as planarization of conductor levels with SU8 resin have been specifically studied. Those overhangs have permitted the realization of multilevel and multiconductor inductors which present good features at high frequency. Finally, the characterization of prototypes at low frequency has been enabled by the realization of an impedance measurement bench we developed for the range from 40Hz to 110MHz and high frequency characterizations have been performed with a network analyzer. This work has been completed by the development of a very fast computing analytical model for the calculus of the magnetic field in integrated inductors. This method has been used to find the repartition of the magnetic field generated by integrated planar magnetic actuators excited by a DC current for a microsystems and microfluidics application.---------------------------------------------------------------L’intégration complète des dispositifs de conversion d’énergie destinés à créer des circuits d’alimentation compacts se heurte encore aujourd’hui à des contraintes technologiques fortes sur l’intégration des composants passifs inductifs et capacitifs. La fréquence de fonctionnement de ces dispositifs, d’ores et déjà de l’ordre du MHz, en augmentant pourrait réduire la taille de ces composants passifs et donc permettre leur intégration. Cependant, les pertes fortement liées à la fréquence et à la technologie, freinent encore cette augmentation.\ud Cette thèse a pour objectif l’étude systématique de structures d’inductances intégrées à travers le développement d’une modélisation accompagnée de simulations précises pour le développement d’une méthodologie de simulation valable sur la plage de fréquence de 0Hz à 1GHz. Pour cela, un modèle analytique basé sur la méthode PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) a d’abord été développé. Ce type de modèle a du être adapté aux topologies des composants étudiés : symétrie cylindrique, conducteurs de section non négligeable, milieux non homogènes… Ce modèle décompose l’étude du composant en deux étapes : calculs électromagnétiques menés sur des sous-parties du composant (éléments partiels) et calcul de la réponse fréquentielle globale à partir de modèles électriques des éléments partiels. Un procédé complet de réalisation technologique des composants inductifs a également été mis au point en parallèle afin de valider expérimentalement la modélisation. L’amélioration de la résolution des motifs et l’augmentation de l’épaisseur des dépôts lors des étapes de croissance électrolytique du cuivre, ainsi que la planarisation des niveaux de conducteurs avec de la résine SU8 ont fait l’objet d’études spécifiques. Ces avancées ont permis la réalisation de selfs multibrin et multiniveau qui présentent des caractéristiques électriques intéressantes en haute fréquence. Enfin, la caractérisation des prototypes en basse fréquence a été rendue possible par la mise en oeuvre d’un banc de mesure d’impédance pour la gamme de fréquence de 40 Hz à 110MHz et des caractérisations en haute fréquence effectuées à l’aide d’un analyseur de réseau. Ces travaux ont été complétés par la mise au point d’une méthode analytique de calcul du champ magnétique. Les calculs permettent de prédire la répartition du champ magnétique généré par des actionneurs magnétiques planaires intégrés excités en courant continu

Analysis of the THz Responsivity of AlGaN/GaN HEMTs by Means of Monte Carlo Simulations

[EN]In this work, by means of Monte Carlo (MC) simulations, the current responsivity of AlGaN/GaN HEMTs operating as zero-bias detectors is analyzed, reaching the THz frequency range. Two approaches are used for the calculation of the responsivity, trying to get physical information on the detection mechanisms from the comparison of their respective results. First, we determine the responsivity directly from the MC values of dc drain current shift originated by an input ac drain voltage excitation. As second approach, the responsivity is estimated from a closed-form expression involving the MC calculation of both the dc I – V curves of the transistor (to determine Taylor expansion coefficients) and the ac response in terms of the Y parameters (to be converted into S parameters). Both approaches coincide at low frequency, but the closed-form expression starts to deviate from the correct result at frequencies around 1 THz. Moreover, a modest plasma resonance is visible in the 2–5-THz range

Conception, modélisation et réalisation de composants inductifs intégrés pour alimentations de faible puissance et microsystèmes

Full integration of energy conversion devices for compact power supply circuits is still encountering strong technological locks, especially to integrate passive inductive and capacitive components. The increasing working frequency of those devices, which already reaches 1 Megahertz, would enable the size reduction of passive components and then their integration. Nevertheless, losses, which highly depend on frequency and technology, may complicate or even stop this increase.The objective of this thesis is the systematic study of integrated inductors structures through the developing of precise modeling and simulating methods on the frequency range from 0Hz to 1GHz. First, an analytic model based on PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) method has been developed. This modeling approach has been adapted to the studied components: rotational symmetry, not negligible section conductors, inhomogeneous media, etc... The final model splits the physical study of the component into two steps: electromagnetic computations on subparts of the set (partial elements) and global frequency response calculus with the equivalent electrical models of the subparts. A full process for the technological realization of inductive components has also been achieved in order to experimentally verify the modeling. The improvement of design resolution and increase of copper electroplating thickness, as planarization of conductor levels with SU8 resin have been specifically studied. Those overhangs have permitted the realization of multilevel and multiconductor inductors which present good features at high frequency. Finally, the characterization of prototypes at low frequency has been enabled by the realization of an impedance measurement bench we developed for the range from 40Hz to 110MHz and high frequency characterizations have been performed with a network analyzer. This work has been completed by the development of a very fast computing analytical model for the calculus of the magnetic field in integrated inductors. This method has been used to find the repartition of the magnetic field generated by integrated planar magnetic actuators excited by a DC current for a microsystems and microfluidics application.L'intégration complète des dispositifs de conversion d'énergie destinés à créer des circuits d'alimentation compacts se heurte encore aujourd'hui à des contraintes technologiques fortes sur l'intégration des composants passifs inductifs et capacitifs. La fréquence de fonctionnement de ces dispositifs, d'ores et déjà de l'ordre du MHz, en augmentant pourrait réduire la taille de ces composants passifs et donc permettre leur intégration. Cependant, les pertes fortement liées à la fréquence et à la technologie, freinent encore cette augmentation.Cette thèse a pour objectif l'étude systématique de structures d'inductances intégrées à travers le développement d'une modélisation accompagnée de simulations précises pour le développement d'une méthodologie de simulation valable sur la plage de fréquence de 0Hz à 1GHz. Pour cela, un modèle analytique basé sur la méthode PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) a d'abord été développé. Ce type de modèle a du être adapté aux topologies des composants étudiés : symétrie cylindrique, conducteurs de section non négligeable, milieux non homogènes... Ce modèle décompose l'étude du composant en deux étapes : calculs électromagnétiques menés sur des sous-parties du composant (éléments partiels) et calcul de la réponse fréquentielle globale à partir de modèles électriques des éléments partiels. Un procédé complet de réalisation technologique des composants inductifs a également été mis au point en parallèle afin de valider expérimentalement la modélisation. L'amélioration de la résolution des motifs et l'augmentation de l'épaisseur des dépôts lors des étapes de croissance électrolytique du cuivre, ainsi que la planarisation des niveaux de conducteurs avec de la résine SU8 ont fait l'objet d'études spécifiques. Ces avancées ont permis la réalisation de selfs multibrin et multiniveau qui présentent des caractéristiques électriques intéressantes en haute fréquence. Enfin, la caractérisation des prototypes en basse fréquence a été rendue possible par la mise en oeuvre d'un banc de mesure d'impédance pour la gamme de fréquence de 40 Hz à 110MHz et des caractérisations en haute fréquence effectuées à l'aide d'un analyseur de réseau. Ces travaux ont été complétés par la mise au point d'une méthode analytique de calcul du champ magnétique. Les calculs permettent de prédire la répartition du champ magnétique généré par des actionneurs magnétiques planaires intégrés excités en courant continu

A Microwave Frequency Range Experiment for the Measurement of Snow Density and Liquid Water Content

International audienceThis article presents a new nondestructive characterization system for the extraction of both snow density and liquid water content (LWC). The experiment primarily measures the relative complex permittivity of snow ( εs¯¯¯¯¯ ) at microwave frequencies at 4–6 GHz. The density and LWC are then deduced with high accuracy from an empirical model of the literature that has been experimentally validated in this study

Procédé de mesure en transmissométrie temporelle térahertz à laser impulsionnel femtoseconde de la permittivité diélectrique de matériaux en couche mince

Cette étude présente le développement d'un procédé de caractérisation térahertz de matériaux en couche mince. Une méthode temporelle basée sur la transmission d'impulsions électriques picosecondes à travers le matériau à caractériser est proposée pour déterminer la permittivité diélectrique des films jusqu'à des fréquences de 400 GHz

Méthode robuste d’extraction de paramètres de ligne de transmission en vue d’application à la caractérisation de matériaux

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Impact des effets de couplage par les substrats sur l'intégrité de signaux numériques rapides dans les empilements 3D de circuits intégrés

International audienceImpact des effets de couplage par les substrats sur l'intégrité de signaux numériques rapides dans les empilements 3D de circuits intégré

Wide Band Frequency Characterization of Al-Doped and Undoped Rutile TiO 2 Thin Films for MIM Capacitors

International audienceIn this letter, the dielectric properties of rutile TiO2 thin films are studied for metal-insulator-metal capacitor applications. The dielectric constant, the ac conductivity, and the loss tangent are measured in a wide band frequency range, from 1 Hz to 2 GHz. The effect of aluminum doping, as well as the influence of film thickness, on the dielectric properties is presented

20 GHz Antenna Radiation Pattern Obtained From Near-Field Mapping With Electrooptic Probe on a Single Plane

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