Towards ultra-low-power logic gates based on contactless capacitive mems operating in adiabatic regime
Vers des Portes Logiques Ultra-Basse Consommation basées sur des MEMS Capacitifs Sans Contact Opérant en Régime Adiabatique
Résumé
This thesis details the development of a MEMS-based device aimed at enabling ultra-lowpower electronics to operate in a contactless manner. This innovative approach addresses common issues in existing technologies, such as leakage currents, dynamic energy losses
in MOSFETs, and contact degradation in micro-relays. The initial part of the thesis
reviews the current state of digital circuits, particularly focusing on MOSFET transistors
and micro-relays, and highlights their technological constraints. This sets the stage for
introducing a contactless device capable of operating in an adiabatic regime, presenting a
variable capacitor architecture as a promising solution.
The core of the thesis explores the design of a Capacitive Adiabatic Logic (CACL) inverter
gate, featuring a dual-rail architecture realized through comb-drive structures. This
design aims to minimize energy consumption while considering technological constraints.
Comprehensive analytical and finite element method (FEM) analyses of the comb-drive
structures inform the optimal design parameters. Factors such as the length, width, and
thickness of the comb fingers, the gap between them, their overlap, and their number
are analyzed for their impact on the variable, fixed, and parasitic capacitances of the
actuator, as well as the induced force between the combs. Additionally, the analysis covers
achievable displacement amplitudes essential for encoding logic states and examines the
sensitivity of the MEMS device’s stable positions to geometric variations.
The thesis also details the stages involved in designing and fabricating the MEMS logic
structures, building on the differential capacitive design. It covers the design process for
individual components, including conducting paths, springs, input and output combs,
and fixed capacitors. Test structures used to evaluate component performance within
the inverter gate are described, along with different implementations for a NAND gate.
The fabrication process, beginning with initial microfabrication tests on silicon wafers
to identify optimal conditions and account for dimensional changes due to underetching,
is thoroughly detailed, culminating in the final fabrication of full MEMS logic gates on
silicon-on-insulator (SOI) wafers.
The final part of the thesis presents a comprehensive investigation into the correlation
between voltage and displacement in combs with near-zero overlap, emphasizing the significant
influence of geometric variations on device performance. Detailed experimentation
and analysis demonstrate the efficiency of the CACL MEMS inverter gate, particularly
in the 4-phase operating mode crucial for adiabatic computation. The operational range,
derived from experimental findings and a MATLAB model of the gates, provides specific
voltage thresholds for optimal performance. Furthermore, the inverter gates have been
successfully operated at temperatures up to 200°C, affirming their robustness and ability
to withstand harsh conditions. The geometry of the CACL NAND gates, tested in the
4-phase operating mode, successfully confirmed NAND behavior, which opens the door to
constructing any other gate type using one or more of these devices, enabling the creation of complex digital circuits.
The thesis concludes by demonstrating logic state transportation across a cascade of ten
concatenated devices, with optical measurements confirming accurate logic state inversion
between each pair of consecutive devices. This research represents a significant advancement
in developing ultra-low-power, contactless electronic devices, addressing limitations of
current technologies, and proposing a novel MEMS-based solution. This innovation is
critical for enhancing performance, reducing energy consumption, and extending the
lifespan of electronic components, thus paving the way for more efficient, durable, and
versatile electronics.
Cette thèse se concentre sur le développement d’un dispositif MEMS pour permettre aux
composants électroniques ultra-basse consommation de fonctionner sans contact. Elle
aborde les problèmes des technologies actuelles comme les courants de fuite, les pertes
d’énergie dynamiques dans les MOSFETs et la dégradation des contacts dans les microrelais.
La première partie examine l’état des circuits numériques, mettant en lumière les
contraintes technologiques des transistors MOSFET et des micro-relais, avant de proposer
un dispositif sans contact fonctionnant en régime adiabatique avec une architecture de
condensateur variable.
Le cœur de la thèse détaille la conception d’une porte inverseuse à logique adiabatique capacitive
(CACL) avec une architecture à double rail utilisant des structures à entraînement
à peigne. Des analyses analytiques et par méthode des éléments finis (FEM) déterminent
les paramètres de conception optimaux. Les facteurs tels que la longueur, la largeur,
l’épaisseur des doigts de peigne, l’écart entre eux et leur nombre sont étudiés pour leur
impact sur les capacités et la force induite entre les peignes. L’analyse couvre aussi les
amplitudes de déplacement pour coder les états logiques et la sensibilité des positions
stables du dispositif MEMS aux variations géométriques.
La thèse décrit les étapes de conception et de fabrication des structures logiques MEMS, y
compris les composants individuels comme les chemins conducteurs, les ressorts, les peignes
d’entrée et de sortie, et les condensateurs fixes. Elle aborde également les structures de
test pour évaluer la performance des composants et les différentes implémentations d’une
porte NAND. Le processus de fabrication, débutant par des tests sur des substrats de
silicium pour identifier les conditions optimales, est détaillé jusqu’à la fabrication finale
des portes logiques MEMS sur des substrats de silicium sur isolant (SOI).
La dernière partie présente une étude approfondie de la corrélation entre la tension et
le déplacement des peignes avec un chevauchement quasi nul, soulignant l’importance
des variations géométriques sur la performance du dispositif. Des expérimentations et
analyses montrent l’efficacité de la porte inverseuse CACL MEMS, particulièrement en
mode de fonctionnement à 4 phases. Les résultats fournissent des seuils de tension pour
une performance optimale. Les portes inverseuses fonctionnent à des températures allant
jusqu’à 200°C, prouvant leur robustesse. La géométrie des portes NAND CACL, testée en
mode à 4 phases, confirme le comportement NAND, permettant la construction de circuits
numériques complexes.
La thèse se conclut par la démonstration du transport des états logiques à travers une
cascade de dix dispositifs concaténés, avec des mesures optiques confirmant l’inversion
précise des états logiques. Cette recherche représente une avancée significative pour
les dispositifs électroniques ultra-basse consommation et sans contact, améliorant la
performance, réduisant la consommation d’énergie et prolongeant la durée de vie des
composants électroniques.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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