Modélisation des inductances planaires intégrées

par Hassan Bechir Mahamat

Thèse de doctorat en Optique, Photonique, Hyperfréquences

Sous la direction de Jean-Jacques Rousseau et de Stéphane Capraro.

Le président du jury était Bruno Allard.

Le jury était composé de Jean-Jacques Rousseau, Stéphane Capraro, Corinne Alonso, Eric Labouré, Jean-Pierre Chatelon.


  • Résumé

    Le développement des dispositifs embarqués visant des applications telles que la téléphonie mobile, l’avionique ou encore les véhicules électriques est en très forte croissance. Les contraintes liées à ces applications sont principalement la réduction du volume, du poids, et ainsi que le coût de production des composants actifs et passifs. C’est ainsi que le Laboratoire Telecom Claude Chappe de l’Université Jean Monnet de Saint Etienne, s’est positionné sur le développement de composants passifs magnétiques dans le but de réduire leur dimension tout en optimisant leur performance. Ce travail de doctorat avait pour but de développer des modèles « type circuit » comportant peu de paramètres pour des composants inductances planaires à couches magnétiques. Les modèles développés doivent prendre en compte les propriétés des couches magnétiques, à savoir la tangente de perte (tanδ) et la perméabilité relative (μr) en fonction de la fréquence, ainsi que les phénomènes haute fréquence : effets de peau et de proximité dans les conducteurs d’une part, couplage capacitif entre spire et entre spires et plan de masse d’autre part. L’étude bibliographique a montré qu’il existe plusieurs modèles d’inductances, avec et sans couche de matériau magnétique. Ces modèles traduisent bien le comportement de l’inductance, mais ne prennent pas en compte certaines propriétés telles que l’évolution de la perméabilité relative et de la tangente de perte en fonction de la fréquence. La simulation nous a permis de mettre au point nos modèles. Nous avons simulé des structures à air, avec une couche de YIG dont la perméabilité relative variait en fonction de la fréquence (avec et sans perte) et enfin des structures à deux couches avec une perméabilité relative et une tangente de perte variable en fonction de la fréquence. Le logiciel nous a également permis de vérifier ainsi le bon comportement des modèles. Afin de valider et de compléter les résultats obtenus en simulation nous avons réalisé les mêmes dispositifs que ceux simulés en utilisant les techniques de micro-électronique. La caractérisation des dispositifs réalisés a été conduite en basse fréquence à l’aide d’un LCRmétre et en haute fréquence à l’aide d’un analyseur vectoriel de réseaux. Les paramètres des modèles ont été obtenus à partir de la simulation ou de la mesure en utilisant un programme d’optimisation. Afin de vérifier l’exactitude des valeurs obtenues, nous avons recalculé les paramètres Yij à partir des éléments extraits et les avons comparés avec les paramètres Yij de mesures ou de simulation. Une bonne corrélation entre les différents paramètres Yij a été constatée sur une large bande de fréquence. Ce travail de thèse a permis de mettre au point trois modèles : modèle d’inductance à air ; modèle d’inductance à une couche et à deux couches tout en prenant en compte les propriétés magnétiques constituant l’inductance

  • Titre traduit

    Modeling of planar inductors integrated


  • Résumé

    The development of embarked devices used in mobile phone, avionics or electrical vehicles is in very strong growth. Constraints connected to these applications are mainly the reduction of volume, weight and as well as the production cost of the active and passive components. So, Telecom Claude Chappe Laboratory of the Saint Etienne University is positioned on the development of magnetic passive components with the aim of reducing their size while optimizing their performance. This PhD thesis work aimed at developing models "like circuit" containing few parameters for planar inductor components with magnetic layers. The developed models must take into account the magnetic layer properties, as the loss tangent (tanδ) and the relative permeability (μr) according to the frequency, as well as the skin and proximity effects in the conductors, capacity between turn and capacities between turns and ground plan. The bibliographical study showed that there are several inductors models with and without magnetic layer. These models translate well the inductor behavior but do not take into account some properties such as the variation of the loss tangent and the magnetic permeability according to the frequency. The simulation allowed to work out our models. Inductors structures with air, with one magnetic layer and with two magnetic layers when the magnetic permeability and the loss tangent varied according to the frequency have been simulated. The software allowed to verify the good behavior of the models. In order to validate results obtainedin simulation, devices have been realized by using microelectronics techniques. The devices characterization has been carried out at lower frequency by using an LCRmeter and at high frequency by using a vector network analyzer. The model parameters are obtained from simulation and measurement by using an optimization algorithm. To verify the values accuracy, Yij parameters are been recalculated from the extracted parameters and compared with the Yij simulated or measured parameters. A good correlation between everyYij parameters has been noticed on a broad band frequency. This PhD thesis allowed to work out three inductors models: with air, with one magnetic layer, with two magnetic layers while taking into account the magnetic properties constituting the inductor


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