Nouvelle génération de dispositifs hyperfréquences passifs reconfigurables électroniquement basés sur la technologie de commutation CBRAM non volatile

New generation of electronically reconfigurable passive microwave devices based on non-volatile CBRAM switching technology

• Auteur / Autrice : Jayakrishnan Methapettyparambu purushothama
• Direction : Étienne Perret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance le 08/10/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de conception et d'intégration des systèmes (Valence ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Ke Wu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohanan Pezholil, Florence Podevin, Arnaud Vena
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ke Wu, Damien Deleruyelle

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS complémentaires

Dispositifs à micro-ondes

Memristors

Mots clés libres

Cbram

RF Switches

Electronic Reconfigurability

Cbram

RF Switches

Electronic Reconfigurability

Chipless RFID

Passive Microwave Devices

Non-Volatile switches

Résumé

Cette thèse présente une nouvelle génération de dispositifs hyperfréquences passifs, reconfigurables électroniquement, basés sur la technologie de commutation ‘Conductive Bridging Random Access Random'(CBRAM). Le travail présenté dans cette thèse a pour objectif de s’affranchir du principal inconvénient des dispositifs hyperfréquences entièrement passifs (ne nécessitant pas de batterie pour fonctionner), à savoir la reconfigurabilité électronique. En effet, sur les dispositifs radiofréquences classiques, cette fonctionnalité repose sur l'utilisation de composants de commutation plus ou moins encombrants nécessitant une puissance importante, pour être exploités, et pour maintenir un état d'impédance (PIN, MEMS et similaire). Nous proposons ici une technique permettant de reconfigurer des dispositifs passifs ne nécessitant pas d’énergie (non-volatilité) pour maintenir un état d'impédance. Cette caractéristique fondamentale distingue les commutateurs CBRAM des commutateurs RF classiques, comme indiqué ci-dessus. Nous présentons ici deux techniques pour concevoir et développer des commutateurs CBRAM potentiellement imprimables, et pouvant être intégrés dans un circuit hyperfréquence sur substrat rigide ou flexible via un procédé de fabrication simple réalisable hors salle blanche.Dans un premier temps, une preuve de concept de cette technologie est présentée à travers la réalisation expérimentale d’un commutateur RF en mode shunt sur ligne CPW réalisé sur substrat FR-4 ainsi que sur un substrat papier. Cette première étude est validée par des mesures, des simulations électromagnétiques, ainsi qu’une modélisation du commutateur sous la forme d’un circuit électrique équivalent. Ensuite, nous montrons l’intégration de ces commutateurs pour le développement d’étiquettes RFID sans puce réinscriptibles. Ces étiquettes sont similaires à un code-barres optique, mais avec une fonctionnalité améliorée de réinscriptibilité électronique et la possibilité de les lire à travers des objets opaques. Nous présentons également différentes stratégies de codage de données pour ces nouveaux tags RFID sans puce ainsi qu’une modélisation circuit pour faciliter la conception. Enfin nous montrons qu’il est possible d’intégrer ces commutateurs dans d’autres circuits micro-ondes passifs tels que des antennes reconfigurables, des filtres et des commutateurs SPDT. Ces nouveaux dispositifs sont compatibles avec des applications dont la consommation énergétique doit être faible, c’est le cas par exemple pour les capteurs sans fils autonomes en énergie appliqués à l’internet des objets (IOT) ou à la technologie 5G. Pendant toute la durée de cette thèse, nous avons œuvré pour démocratiser cette nouvelle technologie de commutation non volatile en la rendant compatible avec des procédés d’impression d’encre métallique et diélectrique, à bas coût.

This thesis presents new generation of electronically reconfigurable solid-state passive microwave devices based on ‘Conductive Bridging Random Access Memory / Metal – Insulator – Metal’ (CBRAM/MIM) switching technology. The work focuses on overcoming the main drawback of fully passive (that doesn’t need any energy to operate) microwave devices, which is electronic-reconfigurability. Indeed, on conventional microwaves devices, this functionality relies on the use of bulky switching devices requiring a large power, to be operated, and to maintain an impedance state (PIN, MEMS and similar). We propose a technique to make possible to reconfigure passive devices without the requirement of constant power supply (Non-Volatility) to maintain an impedance state. This profound feature distinguishes the CBRAM/MIM switches from classic RF switches as indicated above. Here we present two techniques to design and develop fully passive non-volatile and potentially printable CBRAM/MIM switches integrated into a microwave circuit using simple fabrication steps, on rigid as well as flexible substrates. In particular without using any ‘Clean Room’ technology and with process steps compatible for mass production.The proof of concept of this technique is presented through experimental realization of a solid state CPW shunt mode RF switch on classic FR-4 and paper substrates. Equivalent electrical models and their advantages in reducing the electromagnetic simulation budget are also demonstrated affirmatively. Then we show the integration of these switches for the development of rewritable chipless RFID tags. These tags are similar to an optical barcode, but with enhanced functionality of electronic re-writeablity, and out of optical line of sight readability. Analysis of possible data encoding strategies and equivalent circuit modelling, for aiding simplified real time application design is also presented herewith. In addition we also demonstrate the application, and advantage of integration of this switching technique in devices like reconfigurable antennas, filters and SPDT switches. These devices could be used for low power stand-alone devices, ranging from low-cost sensors, to IoT and 5G applications. In this research we present our efforts to democratize this switching technology till these electronically-reconfigurable solid-state passive microwave devices could be printed using a common house-hold printer with metallic and ion-conductor inks, at an economically efficient budget.