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Micro et Nano Composants pour les Télécoms

Le projet Micro et Nano Composants pour les Télécoms regroupe les activités de recherche d'une dizaine de chercheurs et enseignants chercheurs entourés d'une dizaine de doctorants du département MINACOM sur le thème des nouvelles technologies pour les télécommunications.

Technologies MEMS RF et composants reconfigurables

Personnes de contact

  • Pr. Pierre BLONDY ( pierre.blondy@xlim.fr )
  • Dr. Arnaud POTHIER
  • Dr. Aurelian CRUNTEANU
  • MC. Matthieu CHATRAS

SPCTS :

  • MC. Jean Christophe ORLIANGES

Depuis quelques années, de nouvelles technologies dérivées de la microélectronique comme le micro usinage de surface sont utilisées pour réalisation de composants mécaniques à l'échelle micrométrique, les MEMS.

Ces composants de nouvelle génération, réunis sous l'abréviation anglo saxonne "RF MEMS" (pour Radio Frequency Micro Electro Mechanical Systems) sont très variés de par leur forme et fonctionnalité et sont destinés à des applications multiples. Appliqués aux hyperfréquences, ils permettent notamment de réaliser des circuits possédant des caractéristiques agiles ou re-configurables, en apportant une amélioration importante des performances, qui ne peuvent être atteintes à partir de composants traditionnels.


Filtre MEMS RF reconfigurable (1.5 - 2.3 GHz) sur substrat d'alumine

Nous étudions l'utilisation des MEMS pour les déphaseurs, les filtres accordables, les adaptateurs d'impédance ou encore les antennes accordables.


Antenne patch bi-fréquence (13- 23GHz)


Suivi de la dérive de tension d'actionnement d'un micro commutateur d'XLIM maintenu à l'état actionné pendant un mois

Dans le domaine de la fiabilité, le groupe étudie l'influence du chargement des diélectriques sur la durée de vie des actionneurs électrostatiques. Les effets de paramètres comme la forme des signaux de commande appliqués, la température, l'environnement ou encore la puissance appliquée sont modélisés à l'aide d'un banc de fiabilité dédié.


Packaging basse temperature non hermetique pour les MEMS RF 

Enfin, les effets de différentes méthodes d'encapsulation sont également étudiés et modélisés en utilisant le même banc. Plusieurs procédés d'encapsulation sont étudiés, comme par exemple en utilisant des capots en silicium.

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Composants reconfigurables MEMS RF miniatures à nanogaps pour la commutation sub-microseconde

Personnes de contact 

SPCTS :

  • MC. Jean Christophe ORLIANGES

 


Micro commutateur MEMS RF miniature

L'objectif de cette activité consiste à développer de nouvelles architectures de commutateurs MEMS RF bien plus rapides que les composants MEMS conventionnels.Le temps de commutation des micro-relais MEMS est généralement plafonné à quelques microsecondes, intrinsèquement limité par leur vitesse déplacement mécanique de leur structure mobile. Grâce un dimensionnement adéquat, nous avons réalisé des ponts miniatures capables de vibrer mécaniquement à des fréquences de quelques MHz, contre quelques dizaines de KHz pour des structures MEMS classiques de dimensions 10 à 30 fois plus importantes. La rapidité de ces composants miniatures s'en voit fortement améliorée et peut être potentiellement réduite à jusqu'à la centaine de nanosecondes.


Vitesse de reconfiguration de ces composants

 

En élargissant ainsi la bande passante mécanique du composant MEMS au même niveau que celle des signaux RF modulés à transmettre, cette nouvelle génération de commutateurs ouvrent un large spectre d'applications potentielles comme réalisation de modulateurs MEMS capables d'atteindre des débits de l'ordre du MBits/s ou encore des déphaseurs MEMS à reconfiguration ultra rapide pour des objets communicants autonomes (Projet ANR SIPCOM 2008).


Réseau de capacités commutées miniatures

Cette activité de recherche s'oriente aujourd'hui vers la réalisation d'objets commutables encore plus petits mettant en oeuvre des éléments mécaniquement déformables aux dimensions s'approchant de quelques microns dans le cadre d'un projet de recherche en association avec Thales Alenia Space et le CNES. Egalement nous cherchons à tirer bénéfice de propriétés mécaniques remarquables de nouveaux matériaux structurels comme par exemple les nanotubes de carbones en collaboration avec Thales et le LPCIM Ecole Polytechnique (UMR 7647) dans le cadre du projet ANR 2007 SIMS dans le quel la conception et la réalisation de Nano relais RF est en cours d'étude.

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Intégration des matériaux intelligents avec des fonctionnalités avancées dans des composants et dispositifs micro-ondes et optiques

- en collaboration avec le laboratoire SPCTS, dans le cadre du laboratoire d’excellence Sigma-lim -

Personnes de contact:  

SPCTS :                       

Cette thématique vise à développer des dispositifs innovants fonctionnant dans les domaines RF -micro-ondes et optique qui intègrent des matériaux présentant une transition réversible semi-conducteur- métal (ou MIT- Metal- insulator transition). Nous utilisons principalement le dioxyde de vanadium (VO2) qui présente une transition réversible isolant/ métal proche de la température ambiante (à 68°C), provoquant des changements majeurs dans ses propriétés électriques et optiques (Fig. 1). Plus intéressant, à part la température, la transition de phase dans ce matériau peut être initiée électriquement (injection des porteurs), optiquement ou sous l’influence d’une pression/ contrainte. Le but final est de réaliser des dispositifs permettant d’améliorer les problèmes actuels rencontrés dans les systèmes de communications (gestion de l’énergie, puissance, rapidité, intégration). Actuellement, les matériaux intelligents sont l'objet de beaucoup d'attention de la part de la communauté scientifique attiré par leurs caractères évolutifs et adaptatifs qui font d'eux des candidats potentiels pour de nombreuses applications (transmission de l’information, optoélectronique, matériaux artificiels).

 

Figure1. a. Variation avec la température de la résistivité d'un film mince (200 nm) de VO2 sur substrat saphir et b), l'évolution en température de sa transmission optique à 1600 nm.

Faits marquants :

  • Réalisation des fonctions de commutation avancées (commutateurs, filtres, limiteurs de puissance RF) dans les domaines micro-ondes et optique à base de couches minces de VO2 présentant une transition réversible de Mott

 

     

Figure 2. Schéma de principe et images par microscopie optique des réalisations expérimentales des commutateurs en configuration parallèle (a) et série (b) à base de films VO2.

Figure 3. Variation de la transmission S21 pour un commutateur à VO2 série (épaisseur du film 200 nm, longueur du film 20 um) entre l’état passant (VO2 -metal) et l’état bloqué (VO2-SC) lors de l’actionnement électrique avec une tension triangulaire d’amplitude 100 V à 10 Hz.

Figure 4. a, b) Principe de fonctionnement et image par microscopie optique lors de l’actionnement du limiteur de puissance et c) le graphique représentant la puissance transmise dans le dispositif en fonction de la puissance RF incidente dans un guide CPW chargé avec des structures à VO2 avec diverses dimensions.

Références : IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 58 (9), art. no. 5545454, pp. 2352-2361, (2010), MATERIALS AND DEVICES FOR SMART SYSTEMS III  Book Series: MRS Symposium Proceedings, Vol.1129 pp. 275-286 (2009), Applied Physics Letters, 91, pp.223505-1-3 (2007) etc.

  • Génération d’auto-oscillations électriques dans des dispositifs à base de films de VO2 présentant une transition de phase isolant-métal

Cette découverte envisage des applications extrêmement innovantes comme des nano-générateurs de signal intégrés sur puce, oscillateurs RF, inverseurs et mélangeurs de fréquence, des capteurs et senseurs large bande extrêmement sensibles (température, pression, gazes).

A un niveau plus fondamental, nous chercherons à comprendre et à exploiter les propriétés remarquables de ce matériau "actif" en combinaison hybride avec des matériaux "passifs" (multicouches diélectriques, nano clusters incorporés dans une matrice diélectrique etc.)). Le contrôle des nouvelles fonctionnalités électriques ou optiques de ces composites permettra le développement de dispositifs rapides et accordables (commutateurs, fonctions de filtrage etc.) dans les domaines de l'optique, des capteurs et de la micro et nanoélectronique)

Figure 5. Caractéristique fortement non-linéaire courant-tension (I-V) d’un dispositif à deux terminaux à VO2 (motif 350x 50 µm2); on note l’apparition d’une zone caractérisée par une résistance différentielle négative (NDR)

Figure 6. Apparition des auto-oscillations périodiques (B et C) aux bornes du dispositif à VO2 (et aux bornes de la résistance série), lors de son excitation avec un signal de courant continu  à l’intérieur de la zone NDR (valeurs du signal de courant continu correspondant aux points A-D sur la Figure 2).

Références : Appl. Phys. Lett. 100, 213507 (2012), Sci. Technol. Adv. Mater. 11, 065002, (2010) Int. J. of Microwave and Wireless Technologies, 4(01), 101-107 (2012) etc.

  • Métamatériaux accordables dans le domaine THz à base de matériaux à transition de phase

Ce projet, développé en collaboration avec le SPCTS et le département Photonique d’Xlim et soutenu par la Fondation EADS, vise l’étude et la réalisation des dispositifs à base des métamatériaux (agencement périodique des résonateurs métalliques sub- longueur d’onde qui présentent des propriétés électromagnétiques que l’on ne trouve pas dans la nature) permettant le contrôle dynamique de la propagation des ondes THz pour la réalisation des fonctions spécifiques comme la commutation et la modulation du signal incident ou le filtrage accordable dans ce domaine de fréquences. La modification de la manière dont les dispositifs interagissent avec le champ électromagnétique (espace libre) est assurée par l’introduction dans la structure des métamatériaux des éléments à propriétés variables, à savoir des matériaux à transition de phase (e.g. dioxyde de vanadium, VO2).

Figure 7. Dispositifs metamatériaux hybrides (résonateurs métalliques couplés à des motifs de VO2) qui peuvent être rendus accordables en fréquence en fonction des divers stimulis externes (température, contrôle électrique etc.).

Références : "Tunable Terahertz Metamaterials based on Metal-Insulator Phase Transition of VO2 Layers", IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS 2012), 17–22 June 2012, Montréal, Québec, Canada, oral presentation, paperTH2C-4

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Filtrage hautes fréquences par techniques de micro-usinage de volume

Personnes de contact

Le micro-usinage volumique du silicium consiste à suspendre un circuit sur une fine membrane diélectrique en éliminant le silicium du wafer. La propagation des ondes électromagnétiques s'effectuent alors dans l'air. Cela permet de réduire grandement les faiblesses des circuits planaires. Des coefficients de qualité supérieurs à 600 peuvent ainsi être obtenus (état de l'art mondial). Nous avons réalisé au laboratoire des filtres autour de 1 % de bande, avec de faibles pertes d'insertion.


Vue en coupe des structures micro usinées réalisées


Resonnator sur membrane suspendue

De nombreuses collaborations ont été menées avec Thalès Alenia Space et l'ESA. Des filtres ont été réalisés sur des gammes de fréquence allant de 20 à 150 GHz.


Filtre 4 pôles micro usiné à 20GHz

Filtre 2 pôles micro usiné à 1500GHz

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Composants piézoélectriques à ondes de volume : Bulk Acoustic Wave (BAW)

Personnes de contact 

Les propriétés de vibration des matériaux piézoélectriques sont utilisées pour la réalisation de fonctions de filtrage. Le matériau principalement utilisé est le Nitrure d'Aluminium (AlN), pour ses bonnes propriétés électriques et acoustiques. Les domaines de fréquence principalement visés sont de l'ordre du Giga Hertz (1-5 GHz). De nombreuses collaborations ont été menées avec le CEA-LETI, le CNES, la DGA.L'une des grandes difficultés lors de la synthèse de filtres BAW est d'arriver à prévoir parfaitement la réponse de dispositif. Des méthodes complètes de simulation et d'optimisation ont ainsi été développées. Ces méthodes sont basées sur l'utilisation des équations piézoélectriques et électromagnétiques à 1D, 2.5D et 3D. D'excellents résultats de mesure sont venus confirmer not e maîtrise de la simulation de structures piézoélectriques à ondes de volume.


Resonateur Baw à base d'ALN 


Filtre BAW 6 poles pour les applications UMTS

Peformances de filtres BAW pour l'UMTS

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Integration des composants MOEMS dans des systèmes optiques complexes : déclenchement impulsionnel des lasers à fibre en régime Q-switch ou synchronisation des modes longitudinaux

- en collaboration avec le département Photonique-

Personnes de contact :

L’association de l’optique avec des composants type MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) donne naissance à un domaine de recherche important et relativement nouveau concernant la réalisation et l’intégration dans des systèmes complexes des dispositifs micro-opto-électro-mécaniques, les MOEMS ou les MEMS optiques. Leurs fonctionnalités émergeantes en tant que commutateurs optiques, micro-scanners, atténuateurs variables, capteurs optiques etc. trouvent des applications étendues dans des domaines comme les télécommunications, l’astrophysique, l’imagerie, la biologie etc. Dans ce contexte, les recherches développées dans l’institut XLIM (départements MINACOM et Photonique) visent la réalisation des sources lasers miniatures utilisant au moins un micro-miroir déformable (l’élément MOEMS type pont ou cantilever) pour obtenir des largeurs de pulses laser ultra-courts et fréquences de répétition variables. L’intérêt et d’associer le domaine des sources lasers avec les propriétés remarquables des dispositifs MOEMS (compacité, faible coût, faibles pertes d’insertion, achromaticité etc.) pour créer des systèmes lasers impulsionnels complexes (lasers impulsionelles bi-longueur d'onde, système de sélectivité spectrale en utilisant une source de continuum etc.).

Faits marquants :

  • L’intégration des modulateurs électromécaniques type MOEMS avec une source à large bande spectrale pour la sélection spectrale et le codage des signaux sélectionnés pour des applications biomédicales

 

Figure 1. Principe d'un système de sélection spectrale utilisant une source de super continuum et une matrice des micro-miroirs MEMS

Références : J. of Micromech. Microeng., 18, 065010 (2008), brevet France 0707098, brevet PCT WO2009/087287, demande de brevets en cours au Japon et USA.

  • Réalisation des systèmes lasers à fibre (régime Q-switch ou synchronisation des modes) à base des micro- miroirs type MOEMS, avec des impulsions ultracourtes et fréquence de récurrence ajustable (en collaboration avec le département Photonique de l'XLIM)

Figure 2. Image par microscopie électronique à balayage (MEB) des composants MOEMS type cantilever (a) et visualisation de leur mouvement (profil coupe transversale enregistré par microscopie holographique) pendant l’actionnement avec un signal sinusoïdal bi-polaire (10 kHz 100 Vpp)

Références : Optics Express 20(5) 5524 (2012), Optics Lett. 36, 2191 (2011), IEEE Phot. Tech. Lett., 20(12) 991 (2008), fait marquant 2010 de l’Institut INSIS−CNRS sous le titre "Réalisation de sources lasers impulsionnelles à base de micro−miroirs déformables type MEMS (Micro− Electro− Mechanical− System)" (http://www.cnrs.fr/insis/recherche/faits-marquants/2010/sources-lasers.htm)

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Capteurs microondes pour la caractérisation Bio-cellulaire

- en collaboration avec le laboratoire Homéostasie Cellulaire et Pathologie, dans le cadre du laboratoire d’excellence Sigma-lim -

Personnes de contact:

HCP (EA3842) :

 

Cette thématique vise à développer des capteurs innovants dans l’objectif d’analyser le contenu d’échantillons biologiques tels que des cellules grâce aux microondes et cela sans étape de marquage spécifique ni risque dénaturation des organismes biologiques. Ces capteurs, spécifiquement dimensionnés à l'échelle cellulaire, utilisent des signaux du domaine RF et micro-ondes pour sonder le contenu cellulaire principalement composé d’eau. Nous développons en particulier des capteurs résonnants aux très fortes sensibilités qui nous permettent de détecter et de discriminer des différences de contenu cellulaire à partir de populations de seulement quelques cellules jusqu’à la cellule unique avec une résolution spectrale remarquable. Ces capteurs mesurent les caractéristiques diélectriques du cytoplasme des cellules présentes sur les zones de détection, et permettent d’extraire ainsi la bio-impédance (notion de spectroscopie diélectrique) en fonction de la fréquence, résultant en une  signature électromagnétique des cellules ainsi analysées.

      

Figure1. Exemple de puce de capteurs résonnant utilisés pour la caractérisation microonde du cytoplasme cellulaire et localisation des cellules  sur les zones de détection du capteur.

Références : "Ultra Sensitive Biosensor Based on Impedance Spectroscopy at Microwave Frequencies for Cell Scale Analysis", Sensors and Actuators A: Physical, Volume 162, Issue 2, August 2010, Pages 189-197.

Au-delà de simplement informer sur leur état sain ou malin, nous avons montré que ce type de capteurs RF étaient capables également de discriminer le grade d'agressivité des cellules cancéreuses pour lequel il n'existe pas de marqueurs immunologiques à ce jour. En effet, les résultats présentés sur la figure 2, sur trois lignées cellulaires humaines de cancer du côlon possédant différents niveaux d'agressivité,  montrent qu’en se basant sur des mesures de permittivité diélectrique du cytoplasme il est possible d’établir des différences significatives de signatures électromagnétiques entre ces cellules cancéreuses d’agressivité croissante.

 

Figure2.  Exemple de signatures électromagnétiques obtenues à partir d’une batterie de capteurs résonnants sur différentes cellules cancéreuses du colon humain présentant un grade d’agressivité croissant (Grade IV étant synonyme de métastase).

Références : " Microwave Biosensors for Identifying Cancer Cell Aggressiveness Grade ", IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS 2012), 17–22 June 2012, Montréal, Québec, Canada, oral presentation, paper WE4G-1.

A partir de ces capteurs, nous cherchons également à discriminer l’état de différenciation cellulaire (notion de cellule immature) au sein de populations hétérogènes dans l’objectif de détecter des cellules rares ou furtives aux techniques de détection par immuno-marquage classiques. Une des applications que nous visons particulièrement est l’isolement de cellules souches dans le cadre du cancer du système nerveux. Ces cellules particulières sont très difficiles à isoler par les techniques conventionnelles et sont soupçonnées d’être à l’origine de la récidive chronique de la maladie de par l’échappement thérapeutique de ces cellules aux molécules chimio-thérapeutiques actuelles.

Nous avons ainsi montré que la spectroscopie diélectrique d’impédance aux fréquences micro-ondes pouvait amener une information très pertinente sur l’état de différenciation de ces cellules. En effet, comme l’illustre la figure 3, l’analyse des signatures électromagnétiques sur des populations d’immaturité croissante dégage des tendances qui se corroborent extrêmement bien avec des analyses immunobiologiques recoupant plusieurs marqueurs d’immaturité. 

Références : "Resonant RF Biosensors for immature cells identification ", Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2013), 25-28 march, 2013, Tapei, Taiwan, oral presentation.

Figure3.  Exemple de signatures électromagnétiques et de résultats de marquage imuno-protéinique (Western blot) obtenues sur des populations cellulaires avec un taux d’enrichissement croissant en cellules souches cancéreuses.

Nous développons également de nouvelles fonctionnalités sur ces capteurs, les rendant reconfigurables en fréquences comme l’illustre la  figure 4, introduisant de la fonctionnalisation de surface pour piéger sélectivement un type cellulaire plutôt qu’un autre ou encore  implémentant un contrôle précis du positionnement des cellules à analyser sur le capteur par la superposition de champs électrique de diélectrophorèse ou l’implémentation de fonctions micro-fluidiques.

   

Figure4.  Exemple de capteurs résonnant reconfigurable en fréquence.

Faits marquants :

  • Détection et analyse sur la cellule unique
  • Discrimination du grade sur des cellules cancéreuses
  • Premiers pas vers l’identification de cellules souches cancéreuses sans marquage

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