Conception, fabrication et caractérisation d’une puce CMOS pour l’alimentation et le diagnostic d’un réseau configurable de commutateurs MEMS électrothermiques

Riboullet, Allan (2025). Conception, fabrication et caractérisation d’une puce CMOS pour l’alimentation et le diagnostic d’un réseau configurable de commutateurs MEMS électrothermiques. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce mémoire présente la conception d’un circuit de commande pour alimenter un réseau de commutateurs configurables reposant sur l’utilisation de microsystèmes électromécaniques (MEMS) électrothermiques. Une nouvelle approche d’alimentation à courant constant est proposée pour obtenir un contrôle précis de la puissance sur un ensemble de dispositifs utilisant des heaters comme actionneurs thermiques. Le système est compatible avec un courant à double impulsion et une modulation de largeur d’impulsion (PWM), permettant respectivement d’accélérer la fermeture et de réduire la consommation énergétique du commutateur. Le circuit d’actionnement est conçu de sorte à alimenter des commutateurs MEMS électrothermiques différents en série et en parallèle. Par ailleurs, des circuits de rétroaction basés sur une technique d’auto-détection de la température des uheaters et sur la propriété ohmique des contacts de l’actionneur sont proposés pour détecter et résoudre les problèmes liés à la durée de vie des commutateurs MEMS. Une revue de la littérature scientifique sur la structure électrothermique en V, incluant les modèles thermiques, les capteurs, les méthodes et les circuits d’alimentation ainsi que les problèmes liés à l’actionnement, constitue une contribution supplémentaire. Bien que plusieurs circuits électroniques standard soient présentés, la nouveauté de ce travail de recherche est axée sur l’application et la proposition d’un système complet sur puce en technologie CMOS, comprenant les circuits d’actionnement et de diagnostic. Finalement, les circuits sont réalisés avec la technologie 0,18 um BCD de TSMC, occupant une surface totale de 1,3 mm² pour une puce ayant des dimensions de 2 mm × 2 mm. Les essais expérimentaux, réalisés avec un PCB conçu spécifiquement, démontrent une puce fonctionnelle pouvant fournir un courant maximal de 125 mA avec une résolution de 2 mA. Avec une tension d’alimentation de 8 V en sortie et une tension de sortie minimale de 1,6 V, la puissance maximale correspondante est de 800 mW. Dans ces conditions, la résistance maximale du uheater est de 51 Ω.

Titre traduit

Design, fabrication, and characterization of a CMOS chip for the actuation and diagnosis of a configurable network of electrothermal MEMS switches

Résumé traduit

This master’s thesis presents the design of a current driver for a configurable switch network based on electrothermal micro-electro-mechanical-systems (MEMS) components. A new constant current power supply approach is proposed to achieve precise power control over an array of devices using uheaters as thermal actuators. The system is compatible with a double pulse current and pulse-width modulation (PWM), to increase switching speed and reduce energy consumption. The actuation circuit is designed to supply different electrothermal MEMS switches in series and parallel. Furthermore, diagnostic circuits based on self-temperature sensing technique of the uheater and the ohmic contact property of the actuator are proposed for detecting and addressing MEMS lifetime concerns early. A review of the scientific literature on the V-shaped electrothermal structure, including thermal models, sensors, methods, and actuation circuits, as well as issues related to actuation, constitutes an additional contribution. Although several standard electronic circuits are presented, the novelty of this research work focuses on the application and proposal of a complete system in CMOS technology, including the driving and diagnostic circuits. Finally, the circuits are implemented with TSMC’s 0.18 um BCD technology, occupying a total area of 1.3 mm² for a chip with dimensions of 2 mm × 2 mm. Experimental tests conducted with a specially designed PCB demonstrate a functional chip capable of providing a maximum current of 125 mA with a resolution of 2 mA. With an output power supply of 8 V and a minimum output voltage of 1.6 V, the corresponding maximum power is 800 mW. Under these conditions, the maximum resistance of the uheater is 51 Ω.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie électrique". Comprend des références bibliographiques (pages 237-246).
Mots-clés libres:	commutateur MEMS électrothermique, réseau de commutateur, CMOS, actionnement, diagnostic
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Nabki, Frédéric
Codirecteur:	Codirecteur Cowan, Glenn
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	23 mai 2025 18:55
Dernière modification:	23 mai 2025 18:55
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3610

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