Design, fabrication and test of micro-electro-mechanic switches and application to tunable microwave
devices”
CONCEPTION, REALISATION ET TEST DE MICROCOMMUTATEURS
MICRO-ELECTROMECANIQUES ET
APPLICATION AUX CIRCUITS HYPERFREQUENCES
RECONFIGURABLES
Résumé
Since few years, the MEMS technology for microwave applications has grown up with the potential to
improve the circuit and device performances. Several components have been designed and demonstrate an
important reduction of loss and a higher linearity than their main counterparts: the semi-conductor components.
This work investigates the MEMS switches design and their integration in tunable microwave systems.
Thus, we first present a state of art of this MEMS technology and the MEMS microwave devices. The
micromachined switches operation is investigated. The main advantages, drawbacks and some applications
where these components could improve the performances are discussed.
The second part of this work is dedicated to the mechanical and electromagnetical design of a DC
contact switch. The main objective of this work was to realise a reliable component which present good
performances. The switch optimisation is presented and discussed with the corresponding mechanical and
electric measurements.
The last part of this memory addresses the development of new switchable microwave circuit topology
including DC contact micro relays. Three applications are discussed; some tunable filters are developed with a
high tuning in frequency (22% for the first one and 44% for the other). We also present how to preserve the
device losses to a low level, and keep high the quality factor of these systems.
Key words: MEMS, micromechanical devices, micro-relays, switches, electrostatic actuation, contact resistance,
biasing network, reconfigurable systems, tunable filters, quality factor.
improve the circuit and device performances. Several components have been designed and demonstrate an
important reduction of loss and a higher linearity than their main counterparts: the semi-conductor components.
This work investigates the MEMS switches design and their integration in tunable microwave systems.
Thus, we first present a state of art of this MEMS technology and the MEMS microwave devices. The
micromachined switches operation is investigated. The main advantages, drawbacks and some applications
where these components could improve the performances are discussed.
The second part of this work is dedicated to the mechanical and electromagnetical design of a DC
contact switch. The main objective of this work was to realise a reliable component which present good
performances. The switch optimisation is presented and discussed with the corresponding mechanical and
electric measurements.
The last part of this memory addresses the development of new switchable microwave circuit topology
including DC contact micro relays. Three applications are discussed; some tunable filters are developed with a
high tuning in frequency (22% for the first one and 44% for the other). We also present how to preserve the
device losses to a low level, and keep high the quality factor of these systems.
Key words: MEMS, micromechanical devices, micro-relays, switches, electrostatic actuation, contact resistance,
biasing network, reconfigurable systems, tunable filters, quality factor.
La technologie MEMS pour les applications hyperfréquences, s'est développée depuis quelques années
avec pour objectif d'améliorer les performances des circuits et dispositifs microondes. De nombreux composants
ont été développés, démontrant alors une importante réduction des pertes et une plus grande linéarité que leurs
principaux concurrents: les composants semi-conducteurs. Notre étude a porté donc sur la conception d'un
micro-commutateur et son intégration dans des circuits microondes reconfigurables.
Dans un premier temps, nous présentons dans le manuscrit un état de l'art de la technologie MEMS et
des composants hyperfréquences qui en résultent. Le fonctionnement de commutateurs micromécaniques y est
plus particulièrement étudié. Les principaux atouts et limitations sont également présentés avec quelques
domaines d'application où ces composants peuvent contribuer à une amélioration de performances.
La seconde partie de ces travaux est dédiée à la conception mécanique et électromagnétique d'un microcommutateur
à contact ohmique. L'objectif de cette étude était de réaliser un composant fiable avec de bonnes
performances. L'optimisation de ce composant y est présentée, validée par des performances mécaniques et
électriques des dispositifs réalisés.
La dernière partie de ces travaux concerne le développement de nouvelles topologies de circuits
hyperfréquences reconfigurables équipés de micro-commutateurs à contact ohmique. Nous y présentons trois
applications dont la conception de filtres passe-bande avec un accord discret sur une large plage de fréquences
(20% et 44% d'accord). Nous montrons également comment maintenir les pertes de ces dispositifs à un faible
niveau, en conservant les facteurs de qualité de ces composants reconfigurables à une valeur élevée.
avec pour objectif d'améliorer les performances des circuits et dispositifs microondes. De nombreux composants
ont été développés, démontrant alors une importante réduction des pertes et une plus grande linéarité que leurs
principaux concurrents: les composants semi-conducteurs. Notre étude a porté donc sur la conception d'un
micro-commutateur et son intégration dans des circuits microondes reconfigurables.
Dans un premier temps, nous présentons dans le manuscrit un état de l'art de la technologie MEMS et
des composants hyperfréquences qui en résultent. Le fonctionnement de commutateurs micromécaniques y est
plus particulièrement étudié. Les principaux atouts et limitations sont également présentés avec quelques
domaines d'application où ces composants peuvent contribuer à une amélioration de performances.
La seconde partie de ces travaux est dédiée à la conception mécanique et électromagnétique d'un microcommutateur
à contact ohmique. L'objectif de cette étude était de réaliser un composant fiable avec de bonnes
performances. L'optimisation de ce composant y est présentée, validée par des performances mécaniques et
électriques des dispositifs réalisés.
La dernière partie de ces travaux concerne le développement de nouvelles topologies de circuits
hyperfréquences reconfigurables équipés de micro-commutateurs à contact ohmique. Nous y présentons trois
applications dont la conception de filtres passe-bande avec un accord discret sur une large plage de fréquences
(20% et 44% d'accord). Nous montrons également comment maintenir les pertes de ces dispositifs à un faible
niveau, en conservant les facteurs de qualité de ces composants reconfigurables à une valeur élevée.
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