Blondel2009_Ionescu.pdf

01/12/2009
Auteurs :
Publication Médaille Blondel
OAI : oai:www.see.asso.fr:1156:2848
DOI :

Résumé

Blondel2009_Ionescu.pdf

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1 TransistorTransistor àà corps vibrantcorps vibrant Adrian M. Ionescu Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne 2 SommaireSommaire • Résonateurs micro-électro-mécaniques (MEM) • Détection par effet transistor • Résonateur actif : transistor à corps vibrant • Réduction d’échelle et applications • Conclusion 3 TraitementTraitement electroelectro--mméécaniquecanique dede ll’’informationinformation • Logique multi-états: état logique par configuration spatiale • Modes de vibration: ondes • Transducteurs ou capteurs MEMS 4 RRéésonateursonateur MEMMEM Electrode + - dc ~ac Sortie: Entrée: t x x C Vi DCo ∂ ∂ ∂ ∂ −= L hE m k f eff eff res 2 03.1 2 1 ρπ == Taille < quartz, intégrable, facteur de qualité > 104 5 Analogie electro-mécanique mx’’+bx’+kx=F Lq’’+Rq’+(1/C)q=Vi Rigidité ~1/C Fréquence de résonance réglable: rigidité ! 6 Circuit équivalent : passif 2 2 2       ∂ ∂ = x C V m L DC eff m eff DC m k x C V C 2 2 2       ∂ ∂ = 2 2 2       ∂ ∂ = x C QV m R DC eff m ω 222 4 DCo eff m QVA gk R ωε = Rint Cint Rint g = ‘air-gap’ 7 Besoin dBesoin d’’airair--gap nanomgap nanoméétriquetrique Rm ~ g4/V2 1/10 gap 1/10’000 Rm 8 RRééponse typique dponse typique d’’unun rréésonateur MEMsonateur MEM -90 -85 -80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 24.446 24.451 24.456 24.461 24.466 frequency, f [MHz] transmissionparameter,S21[dB] 24.471 24.476 24.481 24.486 24.491 frequency, f [MHz] S fres = 24.46 MHz Q = 67,000 Rm = 113 kΩ tSi=6.25µm Spl-arm device fres = 24.48 MHz Q = 122,000 Rm = 59 kΩ tSi=6.25 µm T-arm device T VDC = 12V; PAC = -25dBm; tSi = 6.25µm Spl-arm device fres=24.46MHz Q=67’000 Rm=113kΩ T-arm device fres=24.48MHz Q=122’000 Rm=59kΩ -90 -85 -80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 24.446 24.451 24.456 24.461 24.466 frequency, f [MHz] transmissionparameter,S21[dB] 24.471 24.476 24.481 24.486 24.491 frequency, f [MHz] S fres = 24.46 MHz Q = 67,000 Rm = 113 kΩ tSi=6.25µm Spl-arm device fres = 24.48 MHz Q = 122,000 Rm = 59 kΩ tSi=6.25 µm T-arm device T VDC = 12V; PAC = -25dBm; tSi = 6.25µm Spl-arm device fres=24.46MHz Q=67’000 Rm=113kΩ T-arm device fres=24.48MHz Q=122’000 Rm=59kΩ • Signal capacitif, Rm ~ 10-100kΩ 9 Un transistor dans une corde deUn transistor dans une corde de guitareguitare drain source grille 10 TransistorTransistor àà corps vibrant (VBcorps vibrant (VB--FET)FET) Modulations • charge • piezo-résistance 11 DoubleDouble--diapason VBdiapason VB--FET enFET en siliciumsilicium 12 VBVB--FET: amplificateurFET: amplificateur –– filtrefiltre • Résonateur VB-FET à double-grille : gain intrinsèque • +40dB comparé à la détection classique MEM (filter) Transistor (ampli) 13 Et si on force le gain?Et si on force le gain? + 3dB: gain en sortie sur 50Ω: oscillateur ! • Rm = -30ΩΩΩΩ. Consommation: 10µµµµWatts gain 14 Oscillations autoOscillations auto--soutenues !soutenues ! RDS/2 VG1 VD VG2 VS RDS/2 Ranchor Ranchor 15 MultiMulti--grille, haute frgrille, haute frééquencequence 16 Autres fonctions: mixer/filtreAutres fonctions: mixer/filtre 17 RRééduction dduction d’é’échelle etchelle et applicationsapplications • Fréquences : 100kHz – 10GHz • Sur SOI: compatibilité avec circuits intégrés • Applications basse puissance: – oscillateur MEMS – fréquence d’horloge MEM intégrée – accéléromètre – capteur de gas – capteur bio (mono-moléculaire) Target molecule Binding site out iout frequency Target molecule Binding site out iout frequency 18 ConclusionsConclusions • Les transistors à corps vibrant offrent des nouvelles fonctionnalités et performances au résonateurs MEMS : nouveau circuits et applications spécifiques à venir ! • Grand potentiel à l’échelle nano: oscillateurs ultra-basse consommation (sub-1microWatt) et capteurs ultra- sensibles intégrés. 19 RemerciementsRemerciements • Prof. A. Rusu, Prof. A. Chovet, Prof. A. Cappy • Le Nanolab de l’EPFL 20 Fabrication du VB-FET