Micro-transformateur - FR
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Micro Transformateurs Piézoélectriques Plan de l’exposé: • • • • • • 1:Contexte et problématique 2:Conception et modélisation 3:Structures et procédés technologiques 4:Démonstrateurs réalisés et résultats obtenus 5:Électronique intégrée d’élévation de tension 6:Bilan et perspectives 1 Micro Transformateurs Piézoélectriques • • • Projet de recherche du P.F.M Convention d’étude (sept.2000 – sept. 2003) – CNES de Toulouse (J. Garnier) – ENS de Cachan (E. Sarraute & F. Costa) En collaboration avec – ESIEE de Marne la Vallée (P. Sangouard) – IEF d’Orsay (A. Bosseboeuf) – IEMN de Valenciennes (E. Cattan & D. Remiens ) au MIMM (Materials for Integration in Micro electronic and Microsystems) • Thèse de Dejan Vasic (soutenance effectuée le 26/06/03) 2 1. LES SYSTEMES ABANDONNEES MICRO SOURCE D' ENERGIE Electrique ou Mécanique TRANSFORMATEUR PIEZO-ELECTRIQUE RESERVE FONCTIONNELLE D'ENERGIE MICROSYSTEME AUTONOME MICRO ACTIONNEUR OU CAPTEUR MODULATEUR DE FREQUENCE INFORMATIONS •Principe Prototype entrée HF masse entrefer sortie entrée HF1 LF Entrée HF plaque de silicium en torsion entrée sortie LF HF2 3 mm substrat de verre Modulateur de Fréquence ( E.S.I.E.E 2001) Sorties HF commande BF GND BF 3 1. TRANSFORMATEURS PIEZOELECTRIQUES PRINCIPES EFFET PIEZOELECTRIQUE INVERSE ENERGIE ELECTRIQUE FAIBLE NIVEAU ENERGIE MECANIQUE VIBRATOIRE EFFET DIRECT ENERGIE ELECTRIQUE FORT NIVEAU 4 1. Contexte et problématique • Principe – Mise en vibration d’une structure piézoélectrique – Exploitation des effets piézoélectriques inverse et direct – Transformateur piézoélectrique = Filtre sélectif Rendement et Gain = fonction ( fréquence et de la charge) - Exploitation de certains modes de résonance Déplacement Contrainte 5 1. Contexte et problématique • Exemples de structures « macro » : Ondes de volume Transformateur multicouche Transformateur circulaire Transformateur de ROSEN 6 CONTRAINTES LIEES A L’INTEGRATION – Formes planaires crées sur support Si par micro-usinage Exploitation difficile de l’effet piézoélectrique transversale (d 31) – Couches minces piézoélectriques de quelques microns d’épaisseur Déformation d’épaisseur possible mais fréquence de résonance excessive (plusieurs dizaines de MHz) – Procédés de dépôts ne permettent qu’une polarisation suivant l’épaisseur de la couches Exploitation impossible de l’effet piézoélectrique de cisaillement (d15) – DÉFORMATIONS DE FLEXION 7 1. Structures « micro » envisagées Principe: Ondes de flexion ( de l’ordre de la centaine de kHz) Structures multicouches possibles Fréquence de résonance dépend du rapport épaisseur/longueur Trois filières technologiques (AlN et PZT et mixte AlN,PZT ) 8 Conception et modélisation • Problématique : On doit : – Dimensionner les structures à partir de critères 1:Fonctionnels (fréquence, tension, puissance) 2:Technologiques (procédé retenu, qualité et épaisseur des couches, tenue mécanique) – Optimiser la conversion électromécanique Établissement d’un modèle 9 1:Modélisation des micro-transformateurs Thèse de Mr Dejan VASIC de E.N.S Cachan • Équations fondamentales de la piézoélectricité 10 2:Modélisation des micro-transformateurs • Ex: Modélisation d’un transformateur poutre bimorphe • Élément simple = primaire ou secondaire du transformateur • Établissement relation matricielle reliant grandeurs électriques ( V,I) et grandeurs mécaniques des deux extrémités d’un élément simple de poutre 11 3:Modélisation des micro-transformateurs • • • • • • Moments fléchissant M1 et M2 Efforts tranchants F1 et F2 Vitesses angulaires Φ1 et Φ2 Vitesses linéaires U1 et U2 hp : épaisseur couche piézoélectrique 2 hm: épaisseur couche intermédiaire • • • • Kb (N . M2): rigidité à la flexion d’une poutre bimorphe Nb : constante lié à la conversion électromécanique 2 1 Élément piézoélectrique 12 4. Modélisation des micro-transformateurs Condition limite Condition limite U1=0 et Φ1=0 F3=0 et M3=0 − F ,− M 21 F1 , M 1 + Π LV2 = Γ L 21 0 U 21 , Φ 21 0 F22 , M 22 = Γ L + Π LV1 U 22 , Φ 22 U 3 , Φ 3 0 F1 , M 1 L L 2L 2L = Γ U , Φ + ( Π − Π ) V1 + Π V2 0 3 3 13 6. Modélisation des micro-transformateurs • Relations électriques pour chaque élément du transformateur I= ∫ A I1 = jωCV1 + N (Φ 3 − Φ 2 ) I 2 = jωCV2 + NΦ 2 ∂D3 dA ∂t Y V I1 V Y = jωC 1 + 11 12 1 I2 V2 Y21 Y22 V2 • Schéma électrique équivalent du transformateur poutre , pont I1 C V1 Y11 + Y12 = jωN b2 Y22 + Y12 = jωN b2 C Y11+Y12 Y22+Y12 Branches mécaniques Y12 = Y21 = jωN b2 I2 -Y12 (c L n L + s Lm L )(c L m L − m L − c L ) + s L + n L K b λb (1 + c2 L m2 L ) s L + n L − (c L n L + s Lm L )(m L + c L ) K b λb (1 + c2 L m2 L ) (c L n L + s L m L )(m L + c L − 4c L m L ) + s 2 L + n2 L − ( s L + n L ) K b λb (1 + c2 L m2 L ) V2 Branches électriques C T = ε 33 1− 2 Lw d 31 E T s p11ε 33 2h p 14 8. Conception et modélisation • Validation – Démonstrateur « macro » – PSI-5A Piezo Systems Module de l’a dmitta nce d’e ntré e 2.2 x 10 2 -5 Modè le Mode 1 (m 1) 1.8 1.6 1.4 Me s ure 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Fré que nce e n Hz L w hp hm k31 ρp 15mm 6,35mm 0,0635mm 0,32 7800kg/m εT33 Qm ρm 1800ε0 80 2690kg/m d31 sp11 0,1905m m sm11 -190.10-12 15,15.10- 5.10-12 12 3 3 15 7. Conception et modélisation: transformateur membrane circulaire • Grandeurs caractéristiques Mode 1 Mode 2 16 9. Conception et modélisation: transformateur membrane circulaire • Schéma électrique équivalent du transformateur membrane disque Gain = 17 Choix de l’épaisseur des Wafers S.O.I. X=h Si / h p Remarque : ke2 = Coefficient de Couplage = Énergie mécanique stockée Énergie électrique fournie ke = Coefficient de couplage électromécanique faible ⇓ Performances diminuées par rapport aux transformateurs centimétriques 18 TECHNOLOGIES ET REALISATION DES MICRO-TRANSFORMATEURS 19 DIMENTIONS des Transformateurs AlN • Membranes carrées 1500 µm * 1500 µm Membranes circulaires 1500 µm Poutres 1260 µm * 420 µm Ponts 1500 µm * 420 µm Membranes: Coefficient de couplage optimum # 4 – Si (dopé) ~10 µm ou 5µm – AlN ~1 à 3 µm – Al ~ 1µm 20 Procédé technologique TRANSFORMATEUR POUTRE AlN • Wafer S.O.I • Dopage N+ • Croissance d’oxyde • Masque 1: Photolithographie de l’oxyde 21 Procédé technologique TRANSFORMATEUR POUTRE AlN • Dépôt AlN PAR SPUTTERING • Dépôt métal des électrode supérieures 22 Procédé technologique TRANSFORMATEUR POUTRE AlN • Masque n°2: Photolithographie des electrodes supérieures • Masque n°3: Photolithographie de l’AlN 23 Procédé technologique TRANSFORMATEUR POUTRE AlN • • • Masque4 :Photo électrodes de masse et dépôt et lift off du métal Masque 5: Photolithographie face avant des poutres Gravure plasma D.R.I.E des motifs de la face avant 24 Procédé technologique TRANSFORMATEUR POUTRE AlN • Masque 6: Photolithographie face arrière des motifs • Gravure plasma D.R.I.E de la face arrière 25 Vue du premier jeux de masques complet WAFER 26 Détails du premier jeux de masques masques des transformateurs poutres Masques des transformateurs disques masques des transformateurs ponts Masques des transformateurs carrés 27 VUE DES PREMIERS MICRO-TRANSFORMATEURS EN AlN Transformateur type Pont Transformateur type membrane disque Transformateur type poutre Transformateur type membrane carrée 28 VIBRATIONS D’UNE MEMBRANE CIRCULAIRE Amplitude des vibrations = 25 nm 29 VIBRATIONS D’UNE POUTRE Mode 1 Amplitude = 20nm Mode 2 Amplitude = 20nm 30 RESULTATS MICRO-TRANSFORMATEURS AlN mesure du gain et de la phase V Secondaire / V Primaire d’un transformateur disque à la pression atmosphérique Pression atmosphérique : V secondaire / V primaire = 5 10-3 résonance de la membrane circulaire (99800 Hz) mesure du gain et de la phase V Secondaire / V Primaire d’un transformateur disque sous vide Vide :V secondaire / V primaire = 4 10-2 résonance de la membrane circulaire (101373 Hz) 31 Conclusion : Micro-transformateurs films piézo-électriques en AlN • Mise au point de la technologie de réalisation et de packaging (h ALN = 1µm) • • Bon rendement technologique sur plaquettes S.O.I : Les étapes de dépôt des couches d’AlN validés pour des épaisseurs de l’ordre du micron mais des efforts restent à faire pour obtenir des couches plus épaisses • • Réduction de l’épaisseur de Si ⇒ wafers S.O.I de 4µm (Coef. Couplage) Utilisation de films de polysilicium ⇒ film d’AlN non piézoélectrique résultats décevants Influence très importante de l’amortissement de l’air.⇒ ajourage des membranes. Les faibles gains en tension obtenus liés aux problèmes d’amortissement de l’air et peut être à des défauts de qualité diélectrique et piézoélectrique des couches d’AlN et au facteur de couplage AlN-Si théoriquement très faible . • • • 32 2. Procédés technologiques • Filière PZT : Coefficient de couplage optimum #1 – Substrat SOI – Dépôt par pulvérisation cathodique – Technique du Lift Off PZT Résine Polarisation d'une structure en D3 pour V=20V 500 400 300 200 polarisation (unité arbitraire) – Gravure sèche face arrière • Membrane: – Si ~ 4 µm – Ti/Pt ~ 150nm – PZT ~ 1 à 3 µm 100 0 -100 -200 -300 -400 -500 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 tension (V) 33 Résultats Électriques sur micro-transformateur Disque PZT Diamètre =1.5 mm , h Si= 4 µm , h PZT= 2 µm Double disques -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 -60 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 5.2 5.4 5.6 5.8 6 x 10 4 Gain = f ( fréquence) 1 50 1 00 50 0 -50 -1 00 Simple disque -1 50 4 4 .2 4.4 4.6 4.8 5 5 .2 5 .4 5 .6 5.8 6 x 10 Phase = f( fréquence) 4 Courbes : de gain = V secondaire / V primaire ( jaune ) = 0.093 de phase du transfo carré (bleu) = variation de 360 ° fréquence de 45487.5 Hz : Puissance PZT ~ 0,25 µW (0,1 W/cm3) 34 BILAN : CONSTAT • Structures en couche piézoélectrique AlN : Coefficient piézoélectrique d31 = 2.65 10-12 m / V • Gain ≅ 4.10-2 , Permittivité relative εAlN ≅ 10 • Structures en couches ferroélectrique de PZT Coefficient piézoélectrique d31 = 1.08 10-10 m / V • Gain ≅ 0.1 , Permittivité relative εPZT ≅ 1131 • • • Puissance structures en PZT ~ 0,25 µW (0,1 W/cm3) ⇓ Puissance massique Puissance massique structures micrométriques = structures centimétriques 35 BILAN : HYPOTHESES • • Équation liant Champs électrique E et déformations S : S= [s]E.T+ [d] T .E • • • 1ere Approximation : si Contrainte T = 0 S AlN ≅ d AlN E AlN dAlN = d31 = 2.65 10-12 m / V S PZT ≅ d PZT E APZT d PZT = d31 = 1.08 10-10 m / V • Si • VAlN ≅ d PZT / d AlN . VPZT Déformations SAlN = Déformations SPZT : ⇒ ⇒ AlN PZT Métal d AlN E AlN = d PZT E APZT VAlN ≅ 50 VPZT ⇒ gain Si capacité C2 du secondaire ⇓ • STRUCTURES AlN au secondaire STRUCTURE PZT au primaire • • ESPOIR : Augmentation sensible du gain • Micro-transformateurs efficaces = Structures minimisant les amortissements visqueux et utilisant des films piézo-électriques de nature différentes et complémentaires + Électronique du type doubleur de SHENKEL intégrée + Système intégré d’accumulation de l’énergie 36 REALISATIONS • CREATION de structures micro transformateurs ajourées et d’une TECHNOLOGIE associant les FILMS d’ALN et de PZT . • CREATION d’une ELECTRONIQUE permettant d’augmenter jusqu’à plusieurs VOLTS la tension de quelques dizaines de MILLIVOLTS délivrée par le micro-transformateur . 37 Masques : TECHNOLOGIE AlN+ PZT • COLLABORATION ESIEE - MIMM/IEMN (Valenciennes) -Transformateurs Disques pleins ou ajourés en : Si/AlN , Si/PZT, Si/(AlN+PZT) -10 niveaux de masques 38 Wafer S.O.I. après sciage des chemins de découpes Plages blanches = Transformateurs ajourés 39 Transformateurs Membranes ajourées dernières génération Taille : diamètre = 1.5 mm Épaisseur de silicium = 4 µm 4 types de transformateurs : AlN, PZT , AlN ou PZT seul AlN+PZT , AlN+PZT Spécial AlN (Secondaire ) + PZT (primaire) 40 ELECTRONIQUE D’AUGMENTATION DE LA TENSION DELIVREE PAR LE MICRO-TRANSFORMATEUR • CONTRAINTE : Aucune alimentation • OBJECTIFS : Obtenir une tension de plusieurs Volts à partir d’une tension de quelques millivolts et d’une puissance de quelques nano-Watts délivrée par le microtransformateur. • Nécessités : Électronique très faible consommation Utilisation obligatoire de wafers S.O.I. 41 Simulation (Spice 9):augmentation tension négative • Entrée 100mV , fréquence = 200kHZ , nombre d’étages = 14 , Capacité de couplage = 20 pF, Capacité de stockage = 10 nF Puissance débitée par le transformateur ≅ 3 nW Tension sur capacité de sortie de 10 nF = - 4 V 42 Simulation (Spice 9) : courbe verte = tension finale . Tension d’entrée = 100 mV ,fréquence = 200kHZ Nombre d’étages = 61 Tension sur capacité de sortie de 10 nF : Vp – Vn = 7.4 V Tensions Positives Vp Tensions négatives Vn 43 EVOLUTION DE LA TENSION DE SORTIE EN FONCTION DU NOMBRE D’ETAGE • Caractérisation mécaniqu4. Démonstrateurs réalisés • Caractérisation électrique – Gain très faible (AlN ~ 5e-3 , PZT ~ 1e-1) – Sur charge ~ 1 MΩ – Puissance pour PZT ~ 0,25 µW (0,1 W/cm3) 44 Influence de la capacité de couplage 45 5. Bilan et perspectives • • Bilan – Structures originales bien adaptées à l’intégration : Utilisation d’ondes de flexion – Principe / modélisation / fabrication / tests – Deux filières technologiques mis au point : constat gain < 1 – Troisième filière ( 1 essai ) : espoir d’obtention de gain > 1 – Mise au point (simulation) d’une électronique d’augmentation des faibles tensions délivrées par le transformateur microélectronique OBJECTIFS – Améliorer la densité de puissance – Solutions – Topologie des structures – qualité des matériaux – Intégrer l’électronique de mesure ou de charge 46 MERCI DE VOTRE ATTENTION 47 5. Modélisation des micro-transformateurs • • Kb (N . M2): rigidité à la flexion d’une poutre bimorphe (homogène au produit du module d’Young par la matrice d’inertie Nb : constante lié à la conversion électromécanique équivalente au gain du transformateur parfait 0 F1 , M 1 2L 2L L L = Γ + ( Π − Π ) V1 + Π V2 0 U 3 , Φ3 •Γ= matrice (4,4) = matrice chaîne •Π= matrice ( 1,4) = matrice reliant effort tranchant et moment fléchissant à la tension électrique appliquée sur l’élément 48
