Impression 3D de capteurs RF haute performance
Des chercheurs chinois ont mis au point une méthode révolutionnaire pour produire des microstructures 3D à haut facteur de forme avec une résolution inférieure à 10 microns pour les capteurs RF.
Cette technique permet d’obtenir des sillons profonds avec un rapport largeur/hauteur de 1:4, tout en assurant un contrôle précis des propriétés de résonance et en améliorant considérablement les performances. Cette technique hybride permet non seulement d’améliorer le facteur de qualité (facteur Q) et le réglage des fréquences des métastructures RF, mais aussi de réduire l’encombrement des dispositifs jusqu’à 45 %. Ce qui ouvre la voie à des applications de nouvelle génération dans les domaines de la détection, des MEMS et des métamatériaux RF.
Les techniques traditionnelles de lithographie, telles que la lithographie par faisceau d’électrons et la nanoimpression, ont eu du mal à répondre à la demande de structures ultrafines à rapport d’aspect élevé. Un mauvais contrôle de l’épaisseur, des parois latérales irrégulières et des limitations matérielles ont entravé les performances et l’évolutivité.
Cette technique combine la polymérisation à deux photons (2PP), l’électrodéposition et la gravure à sec. Cependant, l’intégration de la polymérisation à deux photons avec une métallisation robuste pour les composants RF fonctionnels est restée difficile à réaliser en raison des incompatibilités de processus.
Les chercheurs de l’université de Bilkent et de l’université technologique de Nanyang ont présenté un nouveau processus de fabrication qui utilise le 2PP pour créer des sillons profonds et complexes, qui sont ensuite remplies de cuivre par électrodéposition et affinées par gravure à sec. Il en résulte des résonateurs RF ultracompacts avec des fréquences accordables entre 4 et 6 GHz, un rapport d’aspect de 1:4 et des facteurs Q élevés dans un cadre de résolution inférieur à 10 µm.
Des structures métalliques autonomes
Le processus commence par l’utilisation de 2PP pour définir des sillons à haut rapport d’aspect dans une couche de résine photosensible. Ces vides sont ensuite remplis de cuivre épais – jusqu’à 8 µm – par galvanoplastie. La gravure sèche qui s’ensuit élimine les couches d’ensemencement, ce qui permet d’obtenir des structures métalliques autonomes aux parois latérales plates et verticales, d’une précision dimensionnelle remarquable. L’équipe a démontré l’existence de microstructures d’une largeur de 2-3 µm et d’une hauteur de plus de 10 µm.
Un recuit rapide est utilisé pour renforcer les liaisons en cuivre, ce qui permet de relever les défis thermiques et mécaniques. La microscopie électronique à balayage (MEB) a permis de vérifier la grande fidélité des structures, confirmant leur robustesse et leur fabricabilité.
La méthode de fabrication commence par a l’ application d’une résine photosensible positive AZ-4562 sur un verre recouvert d’ITO, b le placement du substrat préparé sur le porte-échantillon du système d’impression 3D et l’exposition à la lumière pour obtenir le motif souhaité, c le développement de la partie exposée de la résine photosensible, d dépôt d’un film épais de cuivre métallique sur la couche d’amorçage ITO le long de la ligne du motif donné, e spin-coating de la couche de protection, f découpage du substrat en plus petits morceaux à l’aide d’une scie à découper, g retrait de la résine photosensible, h gravure à sec de la couche d’amorçage ITO à l’aide de l’ICP, et i recuit thermique pour renforcer la structure du cuivre.
Adaptation précise à des applications RF spécifiques.
L’augmentation de l’épaisseur du métal peut multiplier le facteur Q par six ou sept, et les fréquences de résonance peuvent être décalées jusqu’à 200 MHz, ce qui permet une adaptation précise à des applications RF spécifiques. Par rapport aux résonateurs conventionnels fabriqués à partir de circuits imprimés, les versions imprimées en 3D ont conservé leurs performances tout en réduisant l’encombrement de 45 %.
« Ce travail comble un fossé critique entre l’impression 3D et les dispositifs RF fonctionnels », a déclaré le professeur Hilmi Volkan Demir de Bilkent. « En obtenant une résolution inférieure à 10 microns dans des structures métalliques à rapport d’aspect élevé, nous avons libéré de nouvelles libertés de conception pour des composants miniaturisés à hautes performances. La possibilité d’ajuster les fréquences de résonance et les facteurs Q grâce au contrôle géométrique offre des opportunités intéressantes pour les capteurs et les systèmes de communication de la prochaine génération. »
Cette technique peut être utilisée pour des capteurs RF plus petits et plus performants, ou des microdispositifs implantables ou portables pour le diagnostic et la thérapie. Intégrée aux MEMS, elle pourrait être utilisée pour créer des antennes sur puce et des processeurs de signaux pour les réseaux IdO.
Les développements futurs incluent l’intégration d’autres matériaux fonctionnels ou la construction de structures multicouches pour étendre les capacités des capteurs RF.
Article : Infineon merges sensor and RF divisions
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