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1
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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2
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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4
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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6
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