Conception, modélisation, fabrication et caractérisation de

UNIVERSITE DE LIMOGES
ECOLE DOCTORALE SCIENCES TECHNOLOGIE SANTE
FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES
Année 2003 Thèse n°70-2003
Thèse
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L'UNIVERSITE DE LIMOGES
Discipline : Electronique des Hautes Fréquences et
Optoélectronique
Spécialité : "Communications Optiques et Microondes"
présentée et soutenue par
Denis MERCIER
le 10 décembre 2003
Conception, modélisation, fabrication et
caractérisation de composants MEMS RF
Thèse dirigée par Dominique CROS et Pierre BLONDY
Jury :
Michel CAMPOVECCHIO Professeur à l'Université de Limoges – IRCOM Président
Sylvain BALLANDRAS Directeur de Recherches – LPMO/CNRS – Besançon Rapporteur
Christian PERSON Professeur au LEST – ENST – Brest Rapporteur
Pierre CHARVET Ingénieur au LETI-CEA – Grenoble Examinateur
John PAPAPOLYMEROU Assistant-Professor, Georgia Institute of Technology, Atlanta Examinateur
Pierre BLONDY Ingénieur de Recherche CNRS–UMR 6615 – IRCOM Limoges Examinateur
Dominique CROS Professeur à l'Université de Limoges – IRCOM Examinateur
Bernard JARRY Professeur à l'Université de Limoges – IRCOM Examinateur
Christine ZANCHI Ingénieur au CNES – Toulouse Invitée
Afshin ZIAEI Ingénieur à THALES – Orsay Invité

REMERCIEMENTS
Le travail présenté dans ce mémoire de thèse a été effectué au sein de
l’Institut de Recherche en Communications Optiques et Microondes, dans
l’équipe "Circuits et Dispositifs Microondes" dirigée par Monsieur le
Professeur Serge Verdeyme. Je lui exprime ma plus profonde reconnaissance
pour m’avoir accueilli au sein de son équipe, pour ses compétences et pour
ses conseils avisés.
J’adresse mes plus vifs remerciements à Monsieur Pierre Bondy,
Ingénieur de recherche à l’IRCOM, et à Monsieur Dominique Cros, Professeur
à l’université de Limoges, qui ont encadré ces travaux. Leur compétence,
leur disponibilité et leur aide tout au long de ces trois années ont très
largement contribué à la bonne progression et à l’aboutissement de ces
travaux.
J’adresse mes sincères remerciements à Monsieur le Professeur Michel
Campovecchio qui me fait l’honneur de présider ce Jury de thèse.
Je remercie également Monsieur Christian Person, Professeur au LEST à
Brest, et Monsieur Sylvain Ballandras, Directeur de Recherche au LPMO à
Besançon pour avoir rapporté sur ce travail.
J’adresse toute ma reconnaissance à Monsieur Pierre Charvet, Ingénieur
au CEA-LETI, pour ses nombreux et précieux conseils lors de nos divers
échanges.
J’assure de mon entière reconnaissance Monsieur John Papapolymerou,
Assistant Professeur au Georgia Institute of Technology à Atlanta, pour
m’avoir accueilli pendant plusieurs mois au sein de son équipe.
Je remercie Monsieur Bernard Jarry, Professeur à l’université de
Limoges qui m’honore en faisant partie de ce Jury.

J’exprime une sincère gratitude à Mademoiselle Christine Zanchi,
Ingénieur au CNES, et à Monsieur Afshin Ziaei, Ingénieur à THALES, pour
leur participation à ce Jury.
J’exprime aussi mes plus vifs remerciements à Madame M. L. Guillat,
qui a assuré la frappe de ce manuscrit, pour sa grande disponibilité, son
efficacité et sa gentillesse.
Enfin, je voudrais tout simplement remercier ma famille et mes amis
pour tout ce qu’il m’apportent chaque jour.

SOMMAIRE
INTRODUCTION GÉNÉRALE ......................................................................................................... . 3
CHAPITRE I
Composants Microélectromécaniques : Définitions et Propriétés
INTRODUCTION ................................................................................................................................. 7
I. HISTORIQUE ................................................................................................................................. 8
II. DÉFINITIONS ET PERFORMANCES GÉNÉRALES .......................................................................... 8
III. DOMAINES D'APPLICATION.................................................................................................. 10
III.1 LES MICRO-COMMUTATEURS ................................................................................................... 10
III.1.1. Les micro-commutateurs ohmiques............................................................................... 10
III.1.2. Les micro-commutateurs capacitifs ............................................................................... 13
III.2 LES VARACTORS ....................................................................................................................... 14
III.3 LES DÉPHASEURS...................................................................................................................... 15
III.4 OSCILLATEURS COMMANDÉS EN TENSION (OCT)................................................................... 16
III.5 LES FILTRES ACCORDABLES ..................................................................................................... 17
IV. PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES ET ÉLECTRIQUES ..................................................................... 19
IV.1 PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES........................................................................................................ 19
IV.1.1. La force électrostatique.................................................................................................. 19
IV.1.1.1La force de rappel..................................................................................................... 21
IV.1.2. La force d'amortissement............................................................................................... 23
IV.1.3. Les forces de Van der Waals et les forces répulsives de contact................................... 24
IV.2 EQUATION MÉCANIQUE DU MOUVEMENT DE LA MEMBRANE .................................................. 25
IV.3 PROPRIÉTÉS ÉLECTRIQUES ....................................................................................................... 26
IV.3.1. Calcul de capacité .......................................................................................................... 26
IV.3.2. Modèles électriques équivalents .................................................................................... 27
IV.3.2.1Les dispositifs parallèles........................................................................................... 27
IV.3.2.2Les dispositifs série...................................................................................................28
IV.3.3. Fréquence de coupure .................................................................................................... 29