Contribution à l'étude des structures passives verre-silicium dans le domaine millimétrique, Contribution to the study of glass-silicon passive millimeter structures

De
Publié par

Sous la direction de Odile Picon
Thèse soutenue le 02 juillet 2010: Paris Est
Nous proposons dans cette thèse de nouvelles structures à faibles pertes en vue de leur utilisation dans les bandes millimétriques. L'hypothèse forte sur laquelle es t construite notre étude est que la présence du silicium permet d'envisager une intégration plus facile des circuits. Pour ce faire nous avons étudié les caractéristiques électriques des lignes inversées silicium-verre à 60 GHz ainsi que la ligne de Goubau sur silicium aux mêmes fréquences. Nous nous sommes focalisés sur l'étude des pertes des lignes. Les simulations présentées jusqu'à 60 GHz ont montré que les qualités de la technologie verre-silicium sont bonnes en termes de paramètres hyperfréquences. Nous proposons donc d'utiliser plutôt le verre pour la partie passive et le silicium pour la partie active. Nous montrons ainsi que cette technologie admet la réalisation des fonctions diverses et qu'elle est susceptible de permettre l'obtention de systèmes intégrés
-Millimétrique
-Verre-silicium
-Ligne micro-ruban inversée
-Ligne de Goubau
-Transition coplanaire
-Calibration LRM
We propose in this thesis several new structures with low loss for use in millimeter bands. The strong supposition with which is built our study is : the presence of silicon can be considered easier integration of circuits. That the reason why we have been studied the electrical characteristics of glass-silicon lines inverted at 60 GHz and the Goubau line on silicon with the same frequencies. We focus our attention on these studies of losses in lines. The simulations up to 60 GHz showed the qualities of the glass-silicon technology are good in terms of microwave parameters. So we propose to use glass for the passive and silicon for the active part. And we show that this technology allows the realization of various functions and is likely to allow the acquisition of integrated systems
-Millimeter
-Glass-silicon
-Inverted microstrip line
-Goubau line
-Coplanar transition
-LRM calibration
Source: http://www.theses.fr/2010PEST1022/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
Lecture(s) : 48
Nombre de pages : 202
Voir plus Voir moins



École doctorale : Mathématiques et STIC
THÈSE
pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Paris Est
Spécialité :
Électronique, optronique et systèmes
Présentée et soutenue le 02/07/2010 par
Julien ÉMOND
CONTRIBUTION A L’ETUDE DES STRUCTURES
PASSIVES VERRESILICIUM DANS LE DOMAINE
MILLIMETRIQUE

Directeur de thèse
Odile PICON
Jury
Victor FOUAD HANNA Professeur des Universités, UPMC- L2E Président et Rapporteur
Tan Phu VUONG Professeur des Universités, Grenoble INP Rapporteur
Gaëlle LISSORGUES Professeur, ESIEE Paris-ESYCOM Examinateur
Frédérique DESHOURS Maître de conférences, UPMC-L2E Examinateur
Odile PICON Professeur des Universités, UPEMLV-ESYCOM Directeur de thèse
Marjorie GRZESKOWIAK Maître de conférences, UPEMLV-ESYCOM Examinateur
Elodie RICHALOT Maître de conférences et HDR, UPEMLV-ESYCOM Invité
© UMLV

tel-00600678, version 1 - 15 Jun 2011
2
tel-00600678, version 1 - 15 Jun 2011Remerciements
Je remercie Monsieur Victor FOUAD4HANNA et Monsieur Tan Phu VUONG,
rapporteurs pour leurs pertinentes observations ainsi que tous les membres du
jury :
Madame Gaëlle LISSORGUES pour avoir réalisé les wafers et m’avoir
conseillé pour la réalisation du banc de mesures ainsi que Mme Frédérique
DESHOURS.
Madame Odile PICON, mon directeur de thèse et Marjorie GRZESKOWIAK
pour leurs conseils et leurs soutiens sans oublier Elodie RICHALOT.

Je remercie également l’ensemble de l’équipe du laboratoire ESYCOM, ainsi que
l’ensemble de l’équipe pédagogique de l’IGM.

Enfin, je remercie mes collègues doctorants et stagiaires de master de l’hémicycle
pour leur bonne humeur et leur amitié.

I
tel-00600678, version 1 - 15 Jun 2011 II
tel-00600678, version 1 - 15 Jun 2011a
Résumé
Il est attendu, dans les prochaines années, l’utilisation des bandes de fréquences
élevées pour de nombreux systèmes de communication. La bande des 60 GHz
apparaît comme un saut technologique par rapport aux composants passifs en
raison des pertes non négligeables sur les lignes traditionnellement utilisées dans
des bandes plus basses.
Nous proposons dans cette thèse de nouvelles structures à faibles pertes en vue
de leur utilisation dans les bandes millimétriques. L’hypothèse forte sur laquelle
est construite notre étude est que la présence du silicium permet d’envisager une
intégration plus facile des circuits. Pour ce faire, nous avons étudié en simulation
électromagnétique (HFSS) les caractéristiques électriques et le mode de
propagation des lignes inversées silicium4verre à 60 GHz ainsi que la ligne de
Goubau sur silicium aux mêmes fréquences. Nous nous sommes focalisés sur
l’étude des pertes des lignes. Nous avons montré à 60GHz que les lignes inversées
sur silicium et les lignes de Goubau sur silicium présentent le même mode de
propagation. Par le biais d’un banc de mesures sous pointes à 60 GHz, nous avons
caractérisé expérimentalement les lignes de Goubau planaire. Nous avons vu dans
la bande 55467 GHZ que les pertes sont faibles de l’ordre de =0,063 dB/mm, et
nous avons validé expérimentalement la possibilité d’exciter une structure passive
avec une ligne de Goubau.

III
tel-00600678, version 1 - 15 Jun 2011a
Abstract
In the coming years, the use of higher frequencies for many communication
systems is quite expected. The 60 GHz band appears to be a technological leap
compared to passive components because of substantial losses on the lines
traditionally used in lower bands.
We propose in this thesis several new structures with low loss for use in millimeter
wave bands. The strong supposition upon which our study is based is the
presence of silicon that can be considered easier integration with circuits. To
modelize it we studied and analyzed with HFSS the mode of propagation and the
electrical characteristics of inverted lines on glass4silicon and the Goubau line on
silicon at 60 GHz. Particularly we focused our attention in these studies to evaluate
the losses in the lines. We concluded that the inverted line on silicon and the
Goubau lines on silicon have the same mode of propagation at 60 GHz and at the
same time characterized experimentally the planar Goubau lines with a probe
station. It was observed in the band 55467 GHz the losses to be as low as of the
order of = 0.063 dB/ mm, thus finally it was validated experimentally to excite a
passive structure with a Goubau line.


IV
tel-00600678, version 1 - 15 Jun 2011Table des matières

Remerciements .................................................................................................I
Résumé ......................................................................................................... III
Abstract..........................................................................................................IV
Table des matières ...........................................................................................V
Liste des tableaux............................................................................................IX
Liste des figures..............................................................................................XI
Liste des annexes..........................................................................................XIX
Introduction.................................................................................................. 1
Chapitre 1 : Support de transmission et pertes associées......................... 9
1. Ligne de transmission .............................................................................. 11
1.1. Ligne micro4ruban (généralités) ........................................................ 12
1.1.1. Ligne suspendue (ligne sur membrane) ....................................... 13
1.1.2. Ligne inversée............................................................................ 14
1.2. Ligne Coplanaire ............................................................................... 15
1.3. Ligne de Goubau............................................................................... 16
1.4. Les pertes dans les circuits planaires (Modèle statique) ....................... 18
1.4.1. Pertes dans les conducteurs (pertes métalliques) ......................... 18
1.4.2. Pertes dans les diélectriques ....................................................... 20
1.4.3. Pertes par rayonnement.............................................................. 20
1.4.4. Calcul des pertes pour une ligne micro4ruban............................... 21
2. Calcul des pertes à l’aide d’HFSS............................................................... 24
3. Conclusion............................................................................................... 32
Chapitre 2 : Étude paramétrique de la ligne inversée.............................. 33
1. Présentation de la structure...................................................................... 35
2. Caractéristiques de la ligne inversée ......................................................... 38
2.1. Etude de l’influence du gap d’air ........................................................ 38
2.2. Influence de l’épaisseur de métallisation............................................. 41
V
tel-00600678, version 1 - 15 Jun 20112.3. Influence de la hauteur de substrat.................................................... 43
2.4. Influence des pertes diélectriques...................................................... 45
2.5. Influence de différents conducteurs ................................................... 48
3. Présentation des paramètres caractéristiques de la ligne inversée............... 50
3.1. Ligne inversée sur verre .................................................................... 50
3.2. Ligne inversée sur Silicium................................................................. 59
4. Conclusion .............................................................................................. 68
Chapitre 3 : Étude paramétrique de la ligne de Goubau.......................... 69
1. Présentation de la ligne de Goubau........................................................... 71
2. Etude paramétrique de la ligne de Goubau................................................ 73
2.1. Influence de la hauteur du diélectrique .............................................. 73
2.2. Influence de permittivité du diélectrique............................................. 75
2.3. Influence de la conductivité du ruban................................................. 77
2.4. Influence de la conductivité du SI ...................................................... 78
2.5. Influence de largeur de ligne du SI .................................................... 79
2.6. Influence de l’épaisseur de métallisation............................................. 80
3. Présentation des paramètres caractéristiques de la ligne de Goubau........... 81
4. Comparaison entre la ligne de Goubau et la ligne inversée sur silicium........ 88
5. Présentation de la transition entre une ligne coplanaire et une ligne de
Goubau ......................................................................................................... 92
6. Conclusion .............................................................................................. 95
Chapitre 4 : Synthèse de fonctions micro ondes à haute fréquence....... 97
1. Introduction ............................................................................................ 99
2. Transition du verre vers le silicium ou du silicium vers le verre ..................100
2.1. Présentation des techniques interconnexions.....................................101
2.1.1. Câblage filaire (wire bonding) ....................................................101
2.1.2. Transfert automatique sur bande (TAB)......................................101
2.1.3. Raccordement par protubérances (Flip4Chip) .............................102
2.2. La structure Silicium4Verre « SV ».....................................................103
3. Antenne patch sur verre..........................................................................111
3.1. Présentation de la structure..............................................................111
3.2. Méthode de dimensionnement et optimisation de l’antenne ................112
VI
tel-00600678, version 1 - 15 Jun 20113.3. Présentation des résultats à 30 GHz ................................................. 112
3.4. Présentation des résultats à 60 GHz ................................................. 114
4. Transition avec antenne......................................................................... 116
4.1. Transition avec antenne à 30 GHz.................................................... 117
4.2. Transition avec antenne à 60 GHz.................................................... 118
5. Antenne sur silicium à 60GHz alimentée par ligne de Goubau ................... 120
5. Conclusion............................................................................................. 123
Chapitre 5 : Technologie et Mesures....................................................... 125
1. Réalisation de la technologie verre4silicium.............................................. 127
2. Présentation de la technologie mise en œuvre pour caractériser la ligne de
Goubau........................................................................................................ 129
2.1. Méthodes de calibration................................................................... 130
2.1.1. « méthode SOLT » .................................................................. 132
2.1.2. « méthode TRL » .................................................................... 132
2.1.3. « méthode LRM ».................................................................... 133
2.1.3. « méthode LRRM ».................................................................. 133
3. Présentation des mesures des lignes de Goubau...................................... 135
3.1. Banc de mesures ............................................................................ 135
3.1. Circuits réalisés............................................................................... 136
3.2. Mesures.......................................................................................... 136
3.2.1. Premières mesures de la ligne de Goubau sur silicium (h=350 Tm et
h=500Tm)............................................................................................. 138
3.2.2. Rétro simulations de la ligne de Goubau sur silicium (h=350 Tm) sur
différents plans métalliques.................................................................... 140
3.2.2. Réduction de la perturbation liée au chuck métallique par ajout d’un
substrat de verre entre le silicium (h=350 Tm) et le chuck ....................... 141
3.2. Atténuation (dB/mm) à partir de l’extraction des mesures ................. 143
4. Antenne sur silicium à 60 GHz alimentée par ligne de Goubau.................. 150
4.1. Mesures de l’adaptation de l’antenne posée sur le chuck ................... 151
4.2. Mesures de l’adaptation de l’antenne espacée du chuck par un gap d’air
de 5 mm................................................................................................... 152
5. Conclusion............................................................................................. 154
VII
tel-00600678, version 1 - 15 Jun 2011Conclusion et Perspectives .....................................................................155
Bibliographie.................................................................................................161
Annexes .......................................................................................................169

VIII
tel-00600678, version 1 - 15 Jun 2011

Soyez le premier à déposer un commentaire !

17/1000 caractères maximum.

Diffusez cette publication

Vous aimerez aussi