Intégration de bobines sur silicium pour la conversion d’énergie

Généralités sur les bobines intégrées 

Les composants inductifs pour les télécommunications et l’instrumentation

 Les télécommunications et l’instrumentation sont deux domaines de la microélectronique qui bénéficient au premier plan des progrès lié à une intégration de plus en plus poussée. En effet, pour des contraintes principalement électriques, il est difficile pour des systèmes de type « Télécommunication » fonctionnant en haute fréquence de concevoir des fonctions au moyen de composants discrets. L’éloignement des composants, ou plutôt la « connectique », devient un handicap avec la montée en fréquence. L’instrumentation a également profité de ces avancés technologiques. En effet, les capteurs et les actionneurs sont miniaturisés afin de diminuer les perturbations liées à leur présence physique au sein d’un dispositif. 

Télécommunications

 Le domaine fréquentiel des télécommunications (GSM, AMPS, DECT, DCS-1800,…) est inclus dans la bande de radiofréquence (aux alentours de 1-2 GHz) pour laquelle le GaAs est communément utilisé comme substrat dans la réalisation des circuits intégrés. Toutefois, la miniaturisation en technologie CMOS (MOS à canal court) et le développement du micro usinage permettent aujourd’hui d’obtenir des composants « micro-onde » sur silicium. Cette évolution concerne non seulement les éléments actifs (diodes, transistors…) mais également les composants passifs (bobines, condensateurs…). Il est désormais possible de fabriquer des systèmes totalement intégrés notamment pour des applications de téléphonie sans fil ou mobile. Les composants inductifs intégrés sont généralement des spirales métalliques, de technologie compatible avec les technologies standards (CMOS, BiCMOS,…), réalisées sur une couche isolante comme le montre la figure 1-1. Figure 1-1: Bobines pour applications HF Certains phénomènes parasites deviennent prépondérants aux gammes de fréquences dans lesquelles se situent ces applications, ils doivent alors être pris en compte dans le schéma électrique équivalent [55]. Nous voyons ainsi apparaître des capacités parasites entre les brins de la spirale et entre la bobine et le substrat, ainsi que des phénomènes de type effet de peau. C’est le facteur de qualité qui caractérise ces composants puisqu’il détermine leurs sélectivité et bande passante. Les paramètres clé de la conception sont la section et l’espacement des brins, la résistivité du métal formant le conducteur ainsi que la longueur de la spirale et la surface occupée. La forme de la spirale peut également améliorer le facteur de qualité. Ainsi toutes caractéristiques physiques égales par ailleurs (nombre de spires, écartement des spires, dimensions du conducteur), une bobine dont les spirales sont circulaires (octogonales) aura un meilleur facteur de qualité (amélioration jusqu’à 10%) qu’une bobine à spires rectangulaires [1]. Les bobines utilisées dans les applications « haute fréquence » sont réalisées grâce à des procédés technologiques CMOS ou BiCMOS. Dans ces technologies, les niveaux de métal servent généralement à interconnecter des composants ou sous-systèmes entre eux sur une Couche isolante Substrat Conducteur même puce. Ici les bobines sont obtenues par aménagement de ces niveaux de métal en forme de spirale. La technologie employée impose une épaisseur fixe de la couche métallique, et un nombre maximum de niveau de métal. L’épaisseur d’une couche métallique pour ces technologies est de l’ordre du micromètre. Il est toutefois possible de passer outre cette limitation en épaisseur en associant plusieurs niveaux de métal liés par des puits de conduction inter-couches pour augmenter la section du conducteur. Malgré cela, sachant que pour ce type de technologie nous pouvons avoir au maximum 7 niveaux de métal, il ne faut pas compter sur des épaisseurs totales supérieures à 5-6 µm de métal. Joachim N. Burghartz et al. ont réalisés des bobines pour des applications haute fréquence de 1 MHz à 20 GHz [2]. La figure 1-2 montre le principe de ces bobines (a) et une photographie de réalisation. Les indications Mi et Vj de la figure 1-2(a) représentent les i niveaux de métal et les j niveaux de puits conducteurs (ou via) inter-couches. a b Figure 1-2: Bobines pour applications HF. Principe (a), réalisation (b) Quelques exemples de réalisations publiés dans la littérature : Les travaux de Arcioni et al exposent une méthode d’extraction des paramètres du schéma électrique équivalent pour des spirales réalisées en technologies CMOS et BiCMOS sur substrat silicium. Pour des raisons liées à la résistivité des substrats, la technologie BiCMOS donne de meilleurs résultats en terme de facteur de qualité. Long et Copeland [1] présentent une méthode de caractérisation et d’optimisation de spirales réalisées en technologie VLSI submicronique sur silicium. Des simulations 3D et des mesures expérimentales ont montré l’influence de l’épaisseur de la couche métallique sur le facteur de qualité. L’absence de circuit magnétique fermé sur ce type de dispositifs ne permet pas la canalisation des lignes de champ qui peuvent perturber le fonctionnement des composants se trouvant à proximité. Caraninckx et Steyaert [4] ont étudié ce phénomène dans le cadre de l’intégration en technologie CMOS d’un VCO pour la téléphonie mobile. Dans ce même but de réduction des perturbations liées à la structure du composant, Yue et Wong [5] ont proposé un blindage pour minimiser les couplages parasites entre spirales adjacentes à travers le substrat. Leur solution consiste à insérer un écran métallique relié à la masse entre la bobine et sa base. Une couche épaisse d’isolant sous le composant peut également être réalisée dans cet objectif. Okabe et al [6] ont obtenu des résultats comparables à ceux obtenus avec GaAs en utilisant des polyimides et des résines époxy pour des applications micro-ondes. Le micro-usinage du silicium a aussi contribué à l’amélioration des performances de ces dispositifs. Lòpez-Villegas et al [7] ainsi que Tilmans et al l’ont montré en aménageant une cavité sous les composants passifs. Young et al [9] ont présenté des bobines RF tridimensionnelles ayant des caractéristiques électriques très intéressantes.

Instrumentation

 La miniaturisation des dispositifs d’acquisition et de commande permet l’intégration de système entier, parfois très hétérogène, sur une même puce de silicium. Les applications les plus remarquables concernent surtout l’électronique biomédicale et la micro-robotique. Nous allons mentionner quelques travaux sur les capteurs et les actionneurs intégrés comportant des parties inductives. Le principe des capteurs magnétiques consiste en la conversion d’une variation d’un flux magnétique au travers d’un bobinage en une force électromotrice aux bornes de ce même bobinage. Ainsi la tension aux bornes du bobinage est fonction de la variation du champ magnétique, cette grandeur est ainsi facile à extraire et à traiter. Afin d’accroître la sensibilité, les spires sont enroulées sur un noyau magnétique comme le montre la figure 1-3. Dans le domaine des capteurs, nous pouvons citer les travaux de Coutrot et al qui portent sur la mise au point de capteurs pour la R.M.N. (Résonance Magnétique Nucléaire) composés d’une double spirale « face avant / face arrière » en cuivre, sans noyau magnétique. Les composants magnétiques sont également employés pour la réalisation d’actionneurs qui convertissent l’énergie électromagnétique en énergie mécanique. Le développement des micro-technologies a permis l’intégration de composants mécaniques associés à des circuits de commande et d’acquisition. Les forces et puissances mises en jeu sont évidemment très faibles. Aussi, ces dispositifs restent réservés à des applications spécifiques comme les micromoteurs (utilisés en électronique biomédicale, horlogerie, micro-robotique…). O’sullivan et al ont décrit les étapes de fabrication d’un micro-moteur électromagnétique basées sur la réalisation d’un rotor par électrodéposition de NiFe et d’un bobinage statorique toroïdal en cuivre enroulé autour de pôles en NiFe. Le couple développé atteint 0,5µN.m. Un travail similaire a été accompli par Ahn et al avec une topologie d’inducteurs de type « serpentin », topologie que nous détaillerons plus loin dans ce chapitre. Watanabe et al sont parvenus à mettre au point un micro-moteur qui tourne à une vitesse de 10000tr/min, le bobinage statorique du micro-moteur a été obtenu par électrochimie et son rotor en NdFeB par pulvérisation. D’autres formes d’actionneurs convertissent l’énergie électromagnétique en énergie mécanique. Ainsi, le dispositif de Ahn et al comporte dans le circuit magnétique d’une bobine en « serpentin », une poutre en NiFe placée en porte-à-faux. La circulation d’un courant dans le conducteur donne naissance à une force magnétique agissant sur les surfaces en regard de l’entrefer, et produisant la flexion des extrémités de la poutre. Nami et al ont proposé des critères énergétiques prenant en compte la valeur modeste de la perméabilité du matériau magnétique, pour la conception de ce type d’actionneurs.