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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

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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)

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1. LES SYSTEMES ABANDONNEES

SOURCED' ENERGIE Electrique ou Mécanique

MICROTRANSFORMATEUR

PIEZO-ELECTRIQUE

RESERVEFONCTIONNELLE

D'ENERGIE

MICROACTIONNEUR

OUCAPTEUR

MICROSYSTEMEAUTONOME

INFORMATIONS MODULATEUR DE FREQUENCE

•Principe Prototype

entrefer

sortieHF1

sortieHF2

entréeLF

entréeLF

entrée HF masse

plaque desilicium en

torsion

substrat deverre

3 mm

commande BF

Entrée HF

Sorties HF

BFGND

Modulateur de Fréquence( E.S.I.E.E 2001)

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1. TRANSFORMATEURS PIEZOELECTRIQUES

PRINCIPES

ENERGIEELECTRIQUEAIBLE NIVEAU

ENERGIEMECANIQUEVIBRATOIRE

ENERGIEELECTRIQUEFORT NIVEAU

EFFETPIEZOELECTRIQUEINVERSE

EFFETDIRECT

F

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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

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1. Contexte et problématique• Exemples de structures « macro » : Ondes de volume

Transformateur multicouche

Transformateur circulaire

Transformateur de ROSEN

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CONTRAINTES LIEES A L’INTEGRATION

– Formes planaires crées sur support Si par micro-usinageExploitation 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 couchesExploitation impossible de l’effet piézoélectrique de cisaillement (d15)

–DÉFORMATIONS DE FLEXION

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1. Structures « micro » envisagéesPrincipe: Ondes de flexion ( de l’ordre de la centaine de kHz)

Structures multicouches possiblesFréquence de résonance dépend du rapport épaisseur/longueur Trois filières technologiques (AlN et PZT et mixte AlN,PZT )

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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

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1:Modélisation des micro-transformateurs Thèse de Mr Dejan VASIC de E.N.S Cachan

• Équations fondamentales de la piézoélectricité

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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

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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

1

2

Élément piézoélectrique

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4. Modélisation des micro-transformateurs

Condition limite

F3=0 et M3=0Condition limite

U1=0 et Φ1=0

22121

212111

,,

0,

VU

MFMF LL Π+

Φ−−

Γ=

1

332222

2222

,0

,,

VUU

MF LL Π+

Φ

Γ=

Φ

( )1 1 2 21 2

3 3

0,,0

L L L LF MV V

U

= Γ + Π −Π +Π Φ

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6. Modélisation des micro-transformateurs

• Relations électriques pour chaque élément du transformateur

∫ ∂∂

=A

dAt

DI 3 )( 2311 Φ−Φ+= NCVjI ω

222 Φ+= NCVjI ω

+

=

2

1

2221

1211

2

1

2

1

VV

YYYY

VV

CjII

ω

V1

I2

V2C

I1

C

-Y12

Y11+Y12 Y22+Y12

• Schéma électrique équivalent du transformateur poutre , pont

Branches mécaniques Branches électriques( )

)1()(

22

22112

LLbb

LLLLLLLLLLb mcK

nscmmcmsncNjYY+

++−−+==

λω

pTE

p

T

hLw

sd

C2

13311

231

33

−=

εε( )

)1()(

22

21211

LLbb

LLLLLLLLb mcK

cmmsncnsNjYY+

++−+=+

λω

)1()()4)((

22

2221222

LLbb

LLLLLLLLLLLLb mcK

nsnsmccmmsncNjYY+

+−++−++=+

λω

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8. Conception et modélisation

• Validation– Démonstrateur « macro »– PSI-5A Piezo Systems

100 150 200 250 300 350 400 450 5000.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2x 10 -5

Fréquence en Hz

Mod

ule

de l’

adm

ittan

ce d

’ent

rée

Modèle

Mesure

Mode 1 (m )1

L w hp hm k31 ρp

15mm 6,35mm 0,1905mm

0,0635mm 0,32 7800kg/m3

d31 sp11 sm11 εT33 Qm ρm

-190.10-12 15,15.10-

125.10-12 1800ε0 80 2690kg/m

3

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7. Conception et modélisation: transformateur membrane circulaire

• Grandeurs caractéristiques

Mode 1

Mode 2

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9. Conception et modélisation: transformateur membrane circulaire

• Schéma électrique équivalent du transformateur membrane disque

Gain =

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Choix de l’épaisseur des Wafers S.O.I.

X=h Si / h p

Remarque :

ke2 = Coefficient de Couplage =Énergie mécanique stockéeÉnergie électrique fournie

ke = Coefficient de couplage électromécanique faible

⇓

Performances diminuées par rapport aux transformateurs centimétriques

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TECHNOLOGIES ET REALISATIONDES MICRO-TRANSFORMATEURS

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DIMENTIONS des Transformateurs AlN

• Membranes: Coefficient de couplage optimum # 4– Si (dopé) ~10 µm ou 5µm– AlN ~1 à 3 µm– Al ~ 1µm

Membranes carrées 1500 µm * 1500 µm

Membranes circulaires 1500 µm

Poutres 1260 µm * 420 µm

Ponts 1500 µm * 420 µm

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Procédé technologique TRANSFORMATEUR POUTRE AlN

• Wafer S.O.I • Dopage N+• Croissance d’oxyde• Masque 1: Photolithographie de l’oxyde

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Procédé technologique TRANSFORMATEUR POUTRE AlN

• Dépôt AlN PAR SPUTTERING

• Dépôt métal des électrode supérieures

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Procédé technologique TRANSFORMATEUR POUTRE AlN

• Masque n°2: Photolithographie des electrodes supérieures • Masque n°3: Photolithographie de l’AlN

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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

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Procédé technologique TRANSFORMATEUR POUTRE AlN

• Masque 6: Photolithographie face arrière des motifs • Gravure plasma D.R.I.E de la face arrière

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Vue du premier jeux de masques complet

WAFER

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Détails du premier jeux de masques

masques des transformateurs poutres masques des transformateurs ponts

Masques des transformateurs disques Masques des transformateurs carrés

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VUE DES PREMIERS MICRO-TRANSFORMATEURS EN AlN

Transformateur type membrane disque

Transformateur type Pont Transformateur type poutre

Transformateur type membrane carrée

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VIBRATIONS D’UNE MEMBRANE CIRCULAIRE

Amplitude des vibrations = 25 nm

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VIBRATIONS D’UNE POUTRE

Mode 1 Mode 2Amplitude = 20nm Amplitude = 20nm

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RESULTATS MICRO-TRANSFORMATEURS AlN

mesure du gain et de la phase V Secondaire / V Primaire

d’un transformateur disque à la pression atmosphériquemesure 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)Pression atmosphérique : V secondaire / V primaire = 5 10-3

résonance de la membrane circulaire (99800 Hz)

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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 .

•

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2. Procédés technologiques• Filière PZT : Coefficient de couplage optimum #1

– Substrat SOI– Dépôt par pulvérisation cathodique– Technique du Lift Off

PZTRésine

– Gravure sèche face arrière• Membrane:

– Si ~ 4 µm– Ti/Pt ~ 150nm– PZT ~ 1 à 3 µm

Polarisation d'une structure en D3 pour V=20V

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

tension (V)

pola

risat

ion

(uni

té a

rbitr

aire

)

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Résultats Électriques sur micro-transformateur Disque PZT

Diamètre =1.5 mm , h Si= 4 µm , h PZT= 2 µm

Double disques

4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 5.2 5.4 5.6 5.8 6

x 104

-60

-55

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

Gain = f ( fréquence)

4 4 .2 4 .4 4 .6 4 .8 5 5 .2 5 .4 5 .6 5 .8 6

x 104

-150

-100

-50

0

50

100

150

Simple disque

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)Phase = f( fréquence)

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BILAN : CONSTAT • Structures en couche piézoélectrique AlN : • Gain ≅ 4.10-2 , Coefficient piézoélectrique d31 = 2.65 10-12 m / V

Permittivité relative εAlN ≅ 10

• Structures en couches ferroélectrique de PZT• Gain ≅ 0.1 , Coefficient piézoélectrique d31 = 1.08 10-10 m / V

Permittivité relative εPZT ≅ 1131

• Puissance structures en PZT ~ 0,25 µW (0,1 W/cm3) • ⇓• Puissance massique Puissance massique

structures micrométriques = structures centimétriques

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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 Déformations SAlN = Déformations SPZT : ⇒ d AlN E AlN = d PZT E APZT

• VAlN ≅ d PZT / d AlN . VPZT ⇒ 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

AlN Métal PZT

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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 .

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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

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Wafer S.O.I. après sciage des chemins de découpes

Plages blanches = Transformateurs ajourés

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Transformateurs Membranes ajourées dernières génération

Taille : diamètre = 1.5 mm

Épaisseur de silicium = 4 µm

4 types de transformateurs :

AlN, PZT , AlN+PZT , AlN+PZT Spécial

AlN (Secondaire ) + PZT (primaire)AlN ou PZT seul

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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 micro-transformateur.

• Nécessités : Électronique très faible consommation Utilisation obligatoire de wafers S.O.I.

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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

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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 négatives Vn

Tensions Positives Vp

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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)

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Influence de la capacité de couplage

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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

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MERCI DE VOTRE ATTENTION

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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

( )1 1 2 21 2

3 3

0,,0

L L L LF MV V

U

= Γ + Π −Π +Π Φ

•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