Modélisation par éléments finis du contact ohmique de microcommutateurs MEMS

Finite element modeling of ohmic contact for MEMS microswitches

• Auteur / Autrice : Hong Liu
• Direction : Stéphane Colin, Dimitri Leray
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique, Mécanique des Matériaux
• Date : Soutenance le 22/05/2013
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....) - Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Champaney
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Colin, Dimitri Leray, Patrick Pons
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karim Inal, Pierre-emmanuel Mazeran

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Systèmes microélectromécaniques

Mots clés libres

Contact ohmique

Éléments finis

Microcommutateurs

RF MEMS

Ohmic contact

Microswitch

Finite element

RF MEMS

Résumé

Les microcommutateurs MEMS ohmiques comportent un contact électrique sous très faible force, très sensible à des paramètres difficiles à maîtriser. Ce contact a été l'objet d'une méthode de modélisation développée précédemment au LAAS-CNRS, dont le principe consiste à effectuer une simulation par éléments finis du contact mécanique avec les données AFM puis évaluer analytiquement la résistance électrique. Cette thèse a pour objectif d'évaluer les possibilités d'extension de cette méthode à des simulations multiphysiques.La thèse comporte une partie dédiée à la validation de la simulation mécanique par éléments finis par rapport à des résultats expérimentaux obtenus précédemment.Des simulations multiphysiques sont alors réalisées et les résultats en termes de résistance électrique sont comparés avec des résultats expérimentaux. On observe une très forte sous estimationde la résistance électrique, et donc des élévations de température. Ce constat est attribué à la présence de films isolants en surface d'une au moins des surfaces de contact.Enfin, des modèles qui incluent un film isolant sont développés avec une géométrie simplifiée d'aspérité. Les modèles les plus intéressants incluent des "nanospots": le film isolant est parsemé de zones conductrices, de très faibles dimensions. Les résultats permettent de cerner les caractéristiques typiques possibles de la géométrie dans cette configuration.

MEMS ohmic microswitches include very low force electrical contacts. These are very sensitive to parameters which reveal difficult to control. A previously developed modelization method consists in computing mechanical contact using finite elements, then estimating electrical resistance using analytical expressions. Here we focus on the possibilities of multiphysical finite element computations instead.Validation of the contact mechanical computation is first attempted, based on experimental results of previous works. Multiphysical contact computations are carried out. Resulting electrical contact resistance isfound to be much lower than experimental results. The presence of insulating surface films is supposedly the cause for that. Eventually, a simplified geometry for asperities is used to build models with insulating films.The most relevant models feature “nanospots”: some very small conductive areas are scattered on the contact area. The results allow us to determine some possible geometry configurations that could lead to contact resistance values such as those measured on real devices.