From RF-microsystem technology to RF-nanotechnology
Résumé
The RF microsystem technology is believed to introduce a paradigm switch in the wireless revolution. Although only few companies are to date doing successful business with RF-MEMS, and on a case-by-case basis, important issues need yet to be addressed in order to maximize yield and performance stability and hence, outperform alternative competitive technologies (e.g. ferroelectric, SoS, SOI,…). Namely the behavior instability associated to: 1) internal stresses of the free standing thin layers (metal and/or dielectric) and 2) the mechanical contact degradation, be it ohmic or capacitive, which may occur due to low forces, on small areas, and while handling severe current densities. The investigation and understanding of these complex scenario, has been the core of theoretical and experimental investigations carried out in the framework of the research activity that will be presented. The reported results encompass activities which go from coupled physics (multiphysics) modeling, to the development of experimental platforms intended to tackles the underlying physics of failure. Several original findings on RF-MEMS reliability in particular with respect to the major failure mechanisms such as dielectric charging, metal contact degradation and thermal induced phenomena have been obtained. The original use of advanced experimental setup (surface scanning microscopy, light interferometer profilometry) has allowed the definition of innovative methodology capable to isolate and separately tackle the different degradation phenomena under arbitrary working conditions. This has finally permitted on the one hand to shed some light on possible optimization (e.g. packaging) conditions, and on the other to explore the limits of microsystem technology down to the nanoscale. At nanoscale indeed many phenomena take place and can be exploited to either enhance conventional functionalities and performances (e.g. miniaturization, speed or frequency) or introduce new ones (e.g. ballistic transport). At nanoscale, moreover, many phenomena exhibit their most interesting properties in the RF spectrum (e.g. micromechanical resonances). In particular owing to their superior electrical and mechanical properties, novel nanostructured materials (e.g. carbon based, as carbon nanotube (CNT) and graphene) may provide an answer to this endeavor. These subjects are the focus of presently on-going and future research activities and may represent a cornerstone of future wireless applications from microwave up to the THz range.
La technologie des microsystèmes RF est censé présenter un interrupteur de paradigme dans la révolution du sans fil. Bien que peu d'entreprises sont à ce jour faire des affaires fructueuse avec RF-MEMS, et au cas par cas, des questions importantes devront encore être réglés afin de maximiser le rendement et la performance de stabilité et donc, aux technologies concurrentes alternatives surperformer (par exemple ferroélectrique , SOS, SOI, ...). À savoir l'instabilité de comportement associé à: 1) les contraintes internes des couches minces autoportantes (métal et / ou diélectrique) et 2) la dégradation de contact mécanique, que ce soit ohmique ou capacitif, ce qui peut se produire en raison des forces faibles, sur de petites surfaces, et lors de la manipulation des densités de courant graves. L'enquête et la compréhension de ces scénario complexe, a été au cœur des études théoriques et expérimentales menées dans le cadre de l'activité de recherche qui sera présenté. Les résultats présentés englobent des activités qui vont de la physique couplés (multiphysique) de modélisation, le développement de plates-formes expérimentales destinées à les plaqués Physique sous-jacentes de l'échec. Plusieurs conclusions initiales sur la fiabilité RF-MEMS en particulier à l'égard des principaux mécanismes de défaillance tels que charge diélectrique, la dégradation de contact métallique et les phénomènes induits thermiques ont été obtenus. L'utilisation originale de l'installation expérimentale de pointe (microscopie à balayage de surface, interféromètre profilométrie la lumière) a permis la définition d'une méthodologie innovante capable d'isoler et de se attaquer séparément les différents phénomènes de dégradation dans des conditions de travail arbitraires. Cela a finalement permis d'une part de faire la lumière sur l'optimisation possible (par exemple de l'emballage) conditions, et de l'autre pour explorer les limites de la technologie des microsystèmes jusqu'à l'échelle nanométrique. À l'échelle nanométrique en effet de nombreux phénomènes se produisent et peuvent être exploitées pour soit augmenter les fonctionnalités et performances classiques (par exemple, la miniaturisation, la vitesse ou fréquence) ou introduire de nouvelles (par exemple, transport balistique). À l'échelle nanométrique, en outre, de nombreux phénomènes présentent leurs propriétés les plus intéressantes dans le spectre RF (par exemple les résonances micromécaniques). En particulier en raison de leurs propriétés électriques et mécaniques supérieures, de nouveaux matériaux nanostructurés (par exemple à base de carbone, comme nanotubes de carbone (CNT) et le graphène) peut fournir une réponse à cette entreprise. Ces sujets sont au centre des activités de recherche actuellement en cours et à venir et peuvent représenter une pierre angulaire de futures applications sans fil du micro-ondes jusqu'à la gamme THz.
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