Conception, réalisation et analyse de micro-inductances intégrées avec matériaux ferromagnétiques doux : applications aux inductances pour la conversion de puissance continue-continue et aux inductances variables MEMS pour circuits micro-ondes reconfigurables

Design, fabrication and analysis of integrated micro-inductors including soft ferromagnetic materials : applications to inductors for DC-DC power conversion and to tunable inductor MEMS for reconfigurable microwave circuits

• Auteur / Autrice : Bastien Orlando
• Direction : Dominique Cros, Bernard Viala
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique des hautes fréquences et optoélectronique. Communications optiques et micro-ondes
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Limoges
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Circuits pour microondes

Systèmes microélectromécaniques

Matériaux ferromagnétiques

Inductance

Mots clés libres

Inductance variable

Résumé

Notre objectif est d’exploiter au mieux les matériaux magnétiques pour la réalisation d’inductances. Deux applications sont visées : la conversion de puissance DC-DC et les inductances variables pour les micro-ondes. Un procédé de fabrication d’inductances toroïdales intégrées incluant un bobinage solénoïde en cuivre électrolysé et un noyau en Ni80Fe20 PVD est utilisé pour la réalisation de composants présentant une inductance de 500nH jusqu’à 10MHz avec une résistance DC de 95mΩ et un facteur de qualité de 20 à 2MHz. Le courant de saturation à −30% est mesuré à 180mA. Plusieurs topologies innovantes sont proposées afin d’augmenter la compacité, le facteur de qualité ou le courant de saturation. Le modèle LLG est utilisé afin d’estimer les performances de noyaux magnétiques micro-ondes ouverts ou fermés. Un nouveau concept d’inductance variable MEMS à actionnement piézoélectrique utilisant la magnétostriction inverse d’un noyau magnétique est proposé et validé par la simulation.

Our purpose is to make the best use of magnetic materials in integrated inductors. Two targets are followed : DC-DC power conversion and microwave tunable inductors. A process for the fabrication of integrated toroidal inductors including electroplated copper winding and PVD Ni80Fe20 core is used for the fabrication of devices showing inductance of 500nH up to 10MHz with DC resistance of 95mΩ and quality factor of 20 at 2MHz. −30% saturation current is measured at 180mA. Several innovative designs improvements are proposed in order to increase compactness, quality factor and saturation current. LLG model is used in order to estimate the performances of open or closed microwave magnetic cores. A new concept of tunable inductor MEMS with piezoelectric actuation relying on the inverse magnetostriction of a magnetic core is proposed and validated by simulation.