FR2897200A1

FR2897200A1 - Inductor e.g. magnetomechanical inductor, for being integrated e.g. on silicon, has permanent magnets creating static magnetic field in plane of membrane portion that is cut under form of plane pattern

Info

Publication number: FR2897200A1
Application number: FR0650420A
Authority: FR
Inventors: Christophe Dudek; Francois Duverger; Marc Ledieu; Olivier Acher
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2006-02-06
Publication date: 2007-08-10

Abstract

The inductor has a hollowed zone (z) formed in a semiconductor substrate (1) e.g. silicon substrate, under a membrane (2). A membrane portion (3) located above the hollowed zone is cut under a form of a plane pattern on which a conductive track is arranged, where the conductive track forms an inductor element adapted to be traversed by current. The membrane portion has a central element (4) and a narrowed zone (5) with a connection element between the central element and the membrane. Permanent magnets create static magnetic field in a plane of the membrane portion.

Description

INDUCTEUR INTEGRE SUR SEMI-CONDUCTEURINTEGRATED SEMICONDUCTOR INDUCTOR

Domaine technique et art antérieur L'invention concerne un inducteur intégré sur 5 semi-conducteur. Les inducteurs sont des circuits très fréquemment utilisés en électronique, soit sous forme de composants discrets, soit sous forme de composants intégrés sur Silicium. 10 Un inducteur est généralement composé d'un conducteur en forme de boucle comportant un ou plusieurs tours. Les tours de la boucle peuvent être réalisés autour d'un noyau (c'est la géométrie solénoïde ) ou dans un même plan (c'est la géométrie 15 spirale lorsque le conducteur décrit une spirale ou la géométrie méandre lorsque le conducteur décrit des méandres). La géométrie solénoïde est très utilisée pour réaliser des inducteurs unitaires et la géométrie 20 spirale est très utilisée pour réaliser des associations d'inducteurs. Pour la réalisation d'inducteurs solénoïde ou spirale présentant une inductance élevée, il est connu d'utiliser des noyaux magnétiques faits en 25 matériau magnétique doux à haute perméabilité magnétique. Ce noyau magnétique présente alors un volume total non négligeable devant le volume interne du solénoïde ou la puissance troisième du rayon de la spirale. Il en résulte des inducteurs relativement 30 encombrants dont les dimensions sont comprises entre plusieurs millimètres et plusieurs centimètres peuvent ainsi être réalisés. Dans le cas d'un inducteur à méandres, le noyau magnétique doit recouvrir, sur une épaisseur de l'ordre du rayon des méandres, les deux faces de la structure qui supporte les méandres. Le volume du matériau magnétique est en conséquence également encombrant dans ce cas. Dans le domaine de la microélectronique, un des objectifs essentiels est d'intégrer de plus en plus de composants sur une même puce de silicium et, partant, d'intégrer un maximum d'inducteurs sur des puces de silicium. Un autre objectif essentiel est de diminuer la taille des inductances réalisées sur silicium, à valeur d'inductance donnée. La géométrie spirale est alors la géométrie préférée pour réaliser des inducteurs en microélectronique, du fait qu'elle est planaire et qu'elle requiert un nombre limité de niveaux de métallisation. Un certain nombre de travaux ont été effectués pour tenter de diminuer la taille des inductances spirales à l'aide de couches de matériaux magnétiques doux (cf. Sandwich-Type Ferromagnetic RF integrated Inductor , M. Yamaguchi et al., publié dans IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol 49, N 12, 2001, p 2331 à 2335). Pour une taille donnée, le facteur d'accroissement de la valeur de l'inductance a cependant toujours été relativement faible et, typiquement, est toujours resté inférieur à un facteur 2. On attribue cette limitation au fait que les couches minces de matériaux magnétiques ne permettent pas d'obtenir des volumes de matière magnétique correctement disposés autour des conducteurs, ce qui ne permet pas une augmentation de l'inductance à la mesure de la perméabilité des noyaux utilisés. Par ailleurs, des développements relativement récents ont conduit les dispositifs micro électromécaniques connus sous l'abréviation de dispositifs MEMS (MEMS pour Micro Electro Mechanical Systems ) à être réalisés sous la forme de circuits intégrés. Il est courant de réaliser, dans ces technologies, des pièces vibrantes ou mobiles en translation ou en rotation. L'actionnement de ces pièces est le plus souvent réalisé par des phénomènes électrostatiques. Certains dispositifs MEMS comportent des matériaux magnétiques. On utilise alors couramment des bobinages et, en particulier, des bobinages planaires, pour réaliser des fonctions d'actionnement sur les parties magnétiques. Sont également connus des systèmes de type scanner dans lesquels une couche de matériau magnétique doux est placée sur un axe en flexion et peut être excitée en vibration par un solénoïde externe ou par un réseau de microbobines. Cependant, aucun inducteur intégré sur silicium reposant sur une vibration mécanique dans un champ magnétique statique n'est actuellement connu de l'art antérieur. TECHNICAL FIELD AND PRIOR ART The invention relates to a semiconductor integrated inductor. Inductors are circuits that are very frequently used in electronics, either in the form of discrete components or as components integrated on silicon. An inductor is generally composed of a loop-shaped conductor having one or more turns. The turns of the loop can be made around a core (this is the solenoid geometry) or in the same plane (it is the spiral geometry when the driver describes a spiral or the meandering geometry when the driver describes meanders ). Solenoid geometry is widely used to make single inductors and spiral geometry is widely used to make inductor combinations. For the realization of solenoid or spiral inductors having a high inductance, it is known to use magnetic cores made of soft magnetic material with high magnetic permeability. This magnetic core then has a significant total volume in front of the internal volume of the solenoid or the third power of the radius of the spiral. This results in relatively bulky inductors whose dimensions are between several millimeters and several centimeters can thus be achieved. In the case of a meandering inductor, the magnetic core must cover, on a thickness of the order of the radius of the meanders, the two faces of the structure that supports the meanders. The volume of the magnetic material is consequently also bulky in this case. In the field of microelectronics, one of the essential objectives is to integrate more and more components on the same silicon chip and thus to integrate a maximum of inductors on silicon chips. Another essential objective is to reduce the size of the inductances made on silicon, with a given inductance value. Spiral geometry is then the preferred geometry for producing microelectronic inductors, because it is planar and requires a limited number of metallization levels. A number of studies have been carried out to try to reduce the size of the spiral inductors using layers of soft magnetic materials (see Ferromagnetic Sandwich-type RF integrated Inductor, M. Yamaguchi et al., Published in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol 49, No. 12, 2001, pp 2331-2355). For a given size, however, the inductance increase factor has always been relatively low and, typically, has always remained below a factor of 2. This limitation is attributed to the fact that thin layers of magnetic materials do not allow to obtain volumes of magnetic material correctly arranged around the conductors, which does not allow an increase in the inductance to the extent of the permeability of the cores used. In addition, relatively recent developments have led the micro electromechanical devices known by the abbreviation of MEMS devices (MEMS for Micro Electro Mechanical Systems) to be made in the form of integrated circuits. It is common to achieve in these technologies, vibrating parts or mobile in translation or rotation. The actuation of these parts is most often performed by electrostatic phenomena. Some MEMS devices include magnetic materials. Windings and, in particular, planar windings are then commonly used to perform actuating functions on the magnetic parts. Also known are scanner type systems in which a layer of soft magnetic material is placed on a bending axis and can be vibrated by an external solenoid or by a network of microbubines. However, no integrated inductor on silicon based on a mechanical vibration in a static magnetic field is currently known from the prior art.

Exposé de l'invention L'inducteur intégré sur silicium de l'invention ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. Disclosure of the invention The integrated inductor on silicon of the invention does not have the drawbacks mentioned above.

En effet l'invention concerne un inducteur intégré sur semi-conducteur caractérisé en ce qu'il comprend : - un substrat semi-conducteur ayant une face sensiblement plane sur laquelle est déposée une membrane, au moins une zone évidée formée dans le substrat semi-conducteur, sous la membrane, la portion de membrane située au dessus de la zone évidée étant découpée sous la forme d'au moins un motif plan sur lequel est déposée une piste conductrice qui forme un élément inducteur apte à être parcouru par un courant, le motif plan étant constitué d'un élément de membrane et d'au moins une partie resserrée qui constitue un élément de liaison entre l'élément de membrane et la membrane déposée sur le substrat semi-conducteur, et - des moyens pour créer un champ magnétique statique dans le plan du motif plan. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention : - la piste conductrice déposée sur l'élément de membrane dessine une spirale formée entre une première extrémité située à l'extérieur de la spirale et une deuxième extrémité située à l'intérieur de la spirale, et - une première partie resserrée est située sur un premier côté de l'élément de membrane, la piste conductrice qui recouvre la première partie resserrée étant formée d'une première fraction de piste conductrice et d'une deuxième fraction de piste conductrice qui relient, respectivement, la première extrémité et la deuxième extrémité à des éléments conducteurs situés sur la membrane déposée sur le substrat semi-conducteur. Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, au moins une partie resserrée supplémentaire est vierge de toute piste conductrice. Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, la partie resserrée supplémentaire vierge de toute piste conductrice est située sur le premier côté de l'élément de membrane, à côté de la première partie resserrée. Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, la partie resserrée supplémentaire vierge de toute piste conductrice est située sur un deuxième côté de l'élément de membrane, opposé au premier côté. Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, la première partie resserrée et la partie resserrée vierge de toute piste conductrice sont alignées selon un même axe. Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, un trou débouchant traverse l'élément de membrane de sorte que la piste conductrice en forme de spirale entoure le trou débouchant. Indeed, the invention relates to a semiconductor integrated inductor characterized in that it comprises: a semiconductor substrate having a substantially planar face on which a membrane is deposited, at least one recessed zone formed in the semiconductor substrate; conductor, under the membrane, the membrane portion located above the recessed area being cut in the form of at least one plane pattern on which is deposited a conductive track which forms an inductor element adapted to be traversed by a current, the planar pattern consisting of a membrane element and at least one constricted part which constitutes a connecting element between the membrane element and the membrane deposited on the semiconductor substrate, and - means for creating a magnetic field static in the plan plane plane. According to a further characteristic of the invention: the conductive track deposited on the membrane element draws a spiral formed between a first end located outside the spiral and a second end located inside the spiral, and a first constricted portion is located on a first side of the membrane element, the conductive track which covers the first constricted part being formed of a first conductive track fraction and a second conductive track fraction which connect, respectively , the first end and the second end to conductive elements located on the membrane deposited on the semiconductor substrate. According to another additional feature of the invention, at least one additional constricted portion is devoid of any conductive track. According to another additional characteristic of the invention, the additional blank portion of any conductive track is located on the first side of the membrane member, next to the first constricted portion. According to another additional feature of the invention, the additional narrowed portion of any conductive track is located on a second side of the membrane member opposite the first side. According to another additional feature of the invention, the first constricted portion and the narrowed portion blank of any conductive track are aligned along the same axis. According to another additional feature of the invention, a through hole passes through the membrane member so that the spiral-shaped conductive track surrounds the through hole.

Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention . - la piste conductrice déposée sur l'élément de membrane dessine une succession de méandres entre une première extrémité située sur un premier côté de l'élément de membrane et une deuxième extrémité située sur un deuxième côté de l'élément de membrane opposé au premier côté, - une première partie resserrée est située sur le premier côté de l'élément de membrane, et - une deuxième partie resserrée est située sur le deuxième côté de l'élément de membrane, la piste conductrice déposée sur la première partie resserrée étant constituée d'une première fraction de piste conductrice qui relie électriquement la première extrémité à un premier élément conducteur situé sur la membrane qui est située sur le substrat semi-conducteur et la piste conductrice déposée sur la deuxième partie resserrée étant constituée d'une deuxième fraction de piste conductrice qui relie électriquement la deuxième extrémité à un deuxième élément conducteur situé sur la membrane qui est située sur le substrat semi-conducteur. Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, au moins une partie resserrée supplémentaire vierge de tout élément conducteur est située sur ledit premier côté de l'élément de la membrane et/ou au moins une partie resserrée supplémentaire vierge de tout élément conducteur est située sur ledit deuxième côté de l'élément de la membrane. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'épaisseur de la membrane dans la partie resserrée est sensiblement comprise entre le quart de l'épaisseur et quatre fois l'épaisseur de la membrane située hors la partie resserrée. According to another additional feature of the invention. the conductive track deposited on the membrane element draws a succession of meanders between a first end located on a first side of the membrane element and a second end located on a second side of the membrane element opposite to the first side. a first constricted portion is located on the first side of the membrane member, and a second constricted portion is located on the second side of the membrane member, the conductive track deposited on the first constricted portion being formed of a first conductive track fraction which electrically connects the first end to a first conductive element located on the membrane which is located on the semiconductor substrate and the conductive track deposited on the second constricted part being constituted by a second fraction of the track conductor which electrically connects the second end to a second con ductor located on the membrane which is located on the semiconductor substrate. According to another additional feature of the invention, at least one additional constricted portion blank of any conductive element is located on said first side of the membrane member and / or at least one additional constricted portion blank of any conductive element is located on said second side of the membrane element. According to another characteristic of the invention, the thickness of the membrane in the constricted portion is substantially between one quarter of the thickness and four times the thickness of the membrane located outside the constricted portion.

Selon l'invention, il est possible de conférer une perméabilité élevée à des inducteurs planaires, réalisables sur silicium, du fait de l'application d'un champ magnétique à la puce de silicium. Plusieurs inducteurs (par exemple jusqu'à une cinquantaine) peuvent avantageusement être réalisés sur silicium dans une zone de la puce soumise au champ magnétique. Le champ magnétique peut être créé à partir d'un ou de plusieurs aimants permanents placés, par exemple, dans le boîtier dans lequel la puce est intégrée. Il faut ici rappeler qu'il ne faut pas confondre les aimants permanents, qui sont des matériaux magnétiques dont une propriété essentielle est d'avoir une aimantation qui est insensible à des champs magnétiques appliqués, et les matériaux magnétiques à haute perméabilité, habituellement utilisés comme noyaux d'inducteurs, et qui ont eux, au contraire, une aimantation qui accompagne très facilement tout champ magnétique extérieur. Les matériaux magnétiques utilisés comme noyaux d'inducteurs voient toutes leurs propriétés anéanties s'ils sont placés dans un champ magnétique extérieur assez fort, par exemple celui crée par un aimant. Pour obtenir un inducteur intégré sur semi- conducteur selon l'invention, on part d'un motif inductif planaire, comme, par exemple, une spirale. Contrairement à l'art antérieur, on donne un degré de liberté mécanique, au motif inductif planaire. Le degré de liberté mécanique du motif inductif planaire comporte une composante en torsion, ce qui signifie que, grâce à ce degré de liberté, le plan du motif inductif peut changer d'orientation sous l'effet d'un mouvement de torsion. A ce degré de liberté sont donc associés un axe de torsion et une constante de torsion. L'inducteur intégré de l'invention peut être réalisé à l'aide des technologies de gravure du silicium et, plus généralement, de toutes les technologies pouvant être utilisées pour réaliser des dispositifs MEMS . According to the invention, it is possible to confer a high permeability on planar inductors, which can be produced on silicon, because of the application of a magnetic field to the silicon chip. Several inductors (for example up to fifty) can advantageously be made on silicon in a zone of the chip subjected to the magnetic field. The magnetic field can be created from one or more permanent magnets placed, for example, in the housing in which the chip is integrated. It must be remembered that permanent magnets, which are magnetic materials whose essential property is to have a magnetization that is insensitive to applied magnetic fields, and magnetic materials with high permeability, usually used as magnetic materials, must not be confused. cores of inductors, and which, on the contrary, have a magnetization which very easily accompanies any external magnetic field. The magnetic materials used as inductor cores have all their properties destroyed if they are placed in a strong external magnetic field, for example that created by a magnet. To obtain a semiconductor integrated inductor according to the invention, starting from a planar inductive pattern, such as, for example, a spiral. Unlike the prior art, a degree of mechanical freedom is given to the planar inductive pattern. The degree of mechanical freedom of the planar inductive pattern has a torsional component, which means that, due to this degree of freedom, the plane of the inductive pattern can change orientation under the effect of a twisting motion. At this degree of freedom are therefore associated a torsion axis and a torsion constant. The integrated inductor of the invention can be realized using silicon etching technologies and, more generally, all the technologies that can be used to make MEMS devices.

Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de modes de réalisation préférentiels faits en référence aux figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente un premier exemple d'inducteur intégré sur semi-conducteur selon l'invention ; les figures 2a et 2b illustrent l'actionnement de l'inducteur intégré représenté en figure 1 ; la figure 3 représente un deuxième exemple d'inducteur intégré sur semi-conducteur selon l'invention ; la figure 4 représente un troisième exemple d'inducteur intégré sur semi-conducteur selon l'invention ; la figure 5 représente un exemple d'inducteur intégré sur semi-conducteur selon l'invention et sa mise en boîtier ; la figure 6 représente des courbes de réponse (inductance et résistance) d'un exemple d'inducteur selon l'invention. 30 Description détaillée des modes de mises en oeuvre préférentiels de l'invention La figure 1 représente un premier exemple d'inducteur intégré sur semi-conducteur selon l'invention. Un substrat micro-électronique 1 est recouvert d'une membrane 2. Par substrat microélectronique, on entend un substrat couramment utilisé en microélectronique tel qu'un substrat semi-conducteur, par exemple le silicium, ou un substrat de verre. La membrane 2 est déposée sur le substrat 1 par tout procédé connu du domaine de la microélectronique tel que, par exemple, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD pour Chemical Vapor Deposition ) ou le dépôt physique en phase gazeuse (PVD pour Physical Vapor Deposition ). Une zone évidée Z est formée dans le substrat micro-électronique 1, sous la membrane 2, de sorte qu'une portion de membrane 3 se situe au dessus de la zone évidée Z. La zone évidée Z est formée, par exemple, par attaque chimique sélective, après masquage des zones à protéger ( RIE pour Reactive Ion Etching ). La portion de membrane 3 est découpée sous la forme d'un motif plan sur lequel est déposée une piste conductrice P. La portion de membrane 3 comprend un élément central 4 et deux zones resserrées 5 et 6 de part et d'autre de l'élément central 4. Les zones resserrées 5 et 6 relient l'élément central 4 à la membrane 2 déposée sur le substrat microélectronique 1. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Other features and advantages of the invention will appear on reading preferred embodiments with reference to the appended figures among which: FIG. 1 represents a first example of a semiconductor integrated inductor according to FIG. invention; Figures 2a and 2b illustrate the actuation of the integrated inductor shown in Figure 1; FIG. 3 represents a second example of a semiconductor integrated inductor according to the invention; FIG. 4 represents a third example of a semiconductor integrated inductor according to the invention; FIG. 5 represents an example of a semiconductor integrated inductor according to the invention and its packaging; FIG. 6 represents response curves (inductance and resistance) of an example of an inductor according to the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION FIG. 1 represents a first example of a semiconductor integrated inductor according to the invention. A microelectronic substrate 1 is covered with a membrane 2. By microelectronic substrate is meant a substrate commonly used in microelectronics such as a semiconductor substrate, for example silicon, or a glass substrate. The membrane 2 is deposited on the substrate 1 by any method known in the field of microelectronics, such as, for example, chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (PVD). ). A recessed area Z is formed in the microelectronic substrate 1, under the membrane 2, so that a membrane portion 3 is above the recessed area Z. The recessed area Z is formed, for example, by etching chemical selective, after masking the areas to be protected (RIE for Reactive Ion Etching). The membrane portion 3 is cut in the form of a plane pattern on which is deposited a conductive track P. The membrane portion 3 comprises a central element 4 and two constricted zones 5 and 6 on either side of the central element 4. The constricted zones 5 and 6 connect the central element 4 to the membrane 2 deposited on the microelectronic substrate 1.

Les zones 5 et 6 sont alignées selon un axe AA qui définit un axe de torsion pour la membrane 3. L'élément 4 a une dimension a selon l'axe AA et une dimension b selon l'axe perpendiculaire à l'axe AA. La portion de membrane 3 est plongée dans un champ magnétique constant Hext, également appelé champ 5 magnétique statique . La direction du champ magnétique Hext est située dans le plan de la portion de membrane 3. De façon préférentielle, la direction du champ magnétique Hex est perpendiculaire à l'axe de torsion AA. Le champ Hext peut être créé, par exemple, à l'aide 10 de deux aimants permanents situés à l'intérieur d'un boîtier (non représenté sur la figure) dans lequel l'inducteur intégré peut être placé. Il est également possible d'utiliser des pièces en matériau magnétique doux pour guider les lignes de champ magnétique à 15 partir d'un seul aimant permanent et obtenir ainsi le champ magnétique désiré. D'une manière générale, les moyens pour créer un champ magnétique à l'aide d'un ou de plusieurs aimants permanents, en utilisant au besoin des pièces d'alliage doux également appelées 20 culasses , sont bien connus dans l'état de l'art. La piste conductrice P dessine sur l'élément central de membrane 4 une spirale entre une première extrémité El à l'extérieur de la spirale et une deuxième extrémité E2 à l'intérieur de la spirale. Sur 25 la zone resserrée 5, la piste conductrice P dessine deux lignes voisines 11 et 12 qui relient respectivement la première extrémité El et la deuxième extrémité E2 à des circuits (non représentés sur la figure 1) situés sur la membrane déposée sur le 30 substrat. La zone resserrée 6 est vierge de toute piste conductrice. Dans le cas où la spirale ne comporte qu'une seule spire, un seul niveau de masquage est suffisant pour réaliser la piste conductrice P. Dans le cas où la spirale comporte plusieurs spires, il est nécessaire de relier l'extrémité intérieure E2 de la spirale au reste du circuit par une connexion électrique qui passe au-dessus des pistes. Deux niveaux de masquage sont alors nécessaires. Le fonctionnement de l'inducteur intégré représenté en figure 1 va maintenant être expliqué, en référence aux figures 2a et 2b. A titre d'exemple non limitatif, la spirale représentée en figure 2a ne comprend qu'une seule spire. Lorsqu'un courant I parcourt la piste conductrice P, ce courant crée un moment magnétique M (cf. figure 2a), lequel crée lui-même un couple de torsion C tel que : C = M A Hat Le couple de torsion C fait alors pivoter la membrane d'un angle e par rapport à sa position d'équilibre (cf. figure 2b). A cet instant, le courant qui parcourt le circuit a changé de valeur et atteint, par exemple, une valeur inférieure à la valeur qui a créé le moment magnétique. Les parties resserrées 5 et 6 de la membrane qui définissent l'axe de torsion AA emmagasinent de l'énergie mécanique et exercent, en retour, un couple mécanique qui tend à faire revenir la portion de membrane 3 dans sa position initiale. Durant ce mouvement de retour, l'intensité du flux coupé par le motif inductif s'écrit : cf) = S Hext sin(e), où S est la surface de la spirale. La tension e aux bornes de la spirale s'écrit alors . e = -dcp/dt (loi de Lenz) Pour un courant sinusoïdal de pulsation co, la quantité dcp/dt est proportionnelle à la pulsation w. Donc, en revenant dans sa position initiale, le système crée une tension à ses bornes, proportionnelle à w. L'inducteur de l'invention présente donc un fonctionnement totalement différent des inducteurs connus de l'art antérieur. L'inducteur de l'invention est caractérisé par une impédance Z (rapport de la tension e à ses bornes et du courant I qui le parcourt) de la forme : Z = j L o La grandeur L est donc assimilable à une inductance. De façon avantageuse, l'inducteur de l'invention peut donc se substituer aux inductances communément réalisées en microélectronique. La grandeur L dépend non seulement des caractéristiques de la spire (aire, nombre de tours, résistance électrique), mais aussi du champ magnétique appliqué, de la constante de torsion et de l'inertie de la membrane. Une formule approchée de l'inductance L peut être estimée. A une fréquence suffisamment faible devant la fréquence de résonance, il vient : L = Lo + (po S N Hext) 2 / K1 où . Lo est l'inductance de la spirale lorsque celle-ci est fixe, lao est la perméabilité du vide, S est la surface totale de la spirale, N est le nombre de spires de la spirale, Hext est le champ magnétique appliqué, K1 est une constante mécanique décrivant le couple de rappel de l'axe en torsion AA. Un avantage de l'inducteur de l'invention est que le terme (po S N Hext) 2 / K1 peut être rendu tellement grand devant le terme Lo que le terme Lo peut être négligé l'expression de L. The zones 5 and 6 are aligned along an axis AA which defines a torsion axis for the membrane 3. The element 4 has a dimension a along the axis AA and a dimension b along the axis perpendicular to the axis AA. The membrane portion 3 is immersed in a constant magnetic field Hext, also called a static magnetic field. The direction of the magnetic field Hext is located in the plane of the membrane portion 3. Preferably, the direction of the magnetic field Hex is perpendicular to the torsion axis AA. The Hext field can be created, for example, using two permanent magnets located inside a housing (not shown in the figure) in which the integrated inductor can be placed. It is also possible to use pieces of soft magnetic material to guide the magnetic field lines from a single permanent magnet and thereby obtain the desired magnetic field. In general, the means for creating a magnetic field with one or more permanent magnets, using if necessary soft alloy parts also called yokes, are well known in the state of the art. 'art. The conductive track P draws on the central membrane element 4 a spiral between a first end E1 outside the spiral and a second end E2 inside the spiral. On the narrowed zone 5, the conductive track P draws two adjacent lines 11 and 12 which respectively connect the first end E1 and the second end E2 to circuits (not shown in FIG. 1) located on the membrane deposited on the substrate. . The constricted zone 6 is devoid of any conducting track. In the case where the spiral has only one turn, a single level of masking is sufficient to achieve the conductive track P. In the case where the spiral has several turns, it is necessary to connect the inner end E2 of the spiral to the rest of the circuit by an electrical connection that passes over the tracks. Two levels of masking are then necessary. The operation of the integrated inductor shown in FIG. 1 will now be explained with reference to FIGS. 2a and 2b. By way of non-limiting example, the spiral shown in FIG. 2a comprises only a single turn. When a current I traverses the conductive track P, this current creates a magnetic moment M (see Figure 2a), which itself creates a torsion torque C such that: C = MA Hat The torsion torque C then rotates the membrane at an angle e with respect to its equilibrium position (see Figure 2b). At this moment, the current flowing through the circuit has changed in value and reaches, for example, a value lower than the value that created the magnetic moment. The constricted portions 5 and 6 of the membrane which define the torsion axis AA store mechanical energy and exert, in return, a mechanical torque which tends to return the membrane portion 3 to its initial position. During this return movement, the intensity of the flux cut by the inductive motif is written: cf) = S Hext sin (e), where S is the surface of the spiral. The voltage e at the terminals of the spiral is then written. e = -dcp / dt (Lenz's law) For a sinusoidal pulsating current co, the quantity dcp / dt is proportional to the pulsation w. So, returning to its initial position, the system creates a voltage at its terminals, proportional to w. The inductor of the invention therefore has a totally different operation of the inductors known from the prior art. The inductor of the invention is characterized by an impedance Z (ratio of the voltage e at its terminals and the current I which traverses it) of the form: Z = j L o The magnitude L is therefore comparable to an inductance. Advantageously, the inductor of the invention can therefore replace the inductances commonly made in microelectronics. The magnitude L depends not only on the characteristics of the turn (area, number of turns, electrical resistance), but also on the applied magnetic field, the torsional constant and the inertia of the diaphragm. An approximate formula of the inductance L can be estimated. At a sufficiently low frequency in front of the resonance frequency, it comes: L = Lo + (po S N Hext) 2 / K1 where. Lo is the inductance of the spiral when it is fixed, lao is the permeability of the vacuum, S is the total surface of the spiral, N is the number of turns of the spiral, Hext is the applied magnetic field, K1 is a mechanical constant describing the return torque of the axis in torsion AA. An advantage of the inducer of the invention is that the term (po S N Hext) 2 / K1 can be made so large in front of the Lo term that the term Lo can be neglected the expression of L.

Il faut ici noter que l'inductance L devient très faible au-delà de la fréquence de résonance Fr du dispositif. La fréquence de résonance Fr est donnée approximativement par l'expression : (2 n Fr) 2 = K1 / Ix dans laquelle Ix est le moment d'inertie de la portion de membrane 3 par rapport à l'axe de torsion AA. Pour des applications à des fréquences élevées, on cherche à réduire le moment d'inertie. La réduction du moment d'inertie s'effectue alors par tout moyen connu en soi : diminution de l'épaisseur de la membrane (typiquement 5pm, voire lpm), choix d'une dimension b de la portion de membrane 4 très inférieure à la dimension a (le rapport b/a peut être typiquement inférieur à 4, voire à 10). It should be noted here that the inductance L becomes very low beyond the resonance frequency Fr of the device. The resonance frequency Fr is given approximately by the expression: (2 n Fr) 2 = K1 / Ix in which Ix is the moment of inertia of the membrane portion 3 with respect to the torsion axis AA. For applications at high frequencies, it is sought to reduce the moment of inertia. The reduction of the moment of inertia is then carried out by any means known per se: reduction of the thickness of the membrane (typically 5pm, or even lpm), choice of a dimension b of the membrane portion 4 much lower than the dimension a (the ratio b / a may be typically less than 4 or even 10).

Les zones resserrées 5 et 6 sont utilisées comme poutres de torsion/flexion et, en conséquence, leurs caractéristiques mécaniques en torsion/flexion sont importantes pour ajuster la valeur et la fréquence de résonance de l'inductance L. En fonction des résultats souhaités, on est alors amené à ajuster la longueur et/ou la largeur et/ou l'épaisseur des zones resserrées. L'épaisseur de la membrane dans les zones resserrées pourra ainsi être plus mince ou plus épaisse qu'ailleurs (par exemple de quatre fois plus mince à quatre fois plus épaisse). La réalisation d'une épaisseur différente de la membrane s'effectue par tout moyen connu en soi, par exemple par masquage et attaque chimique des zones à amincir ou par masquage des zones destinées à être les plus minces et dépôt d'une couche supplémentaire dans les zones destinées à être les plus épaisses. La figure 3 représente un deuxième exemple d'inducteur intégré sur semi-conducteur selon l'invention. La portion de membrane 7 située au dessus de la zone évidée Z est ici constituée d'un élément plan 8 sur lequel est déposée une piste conductrice P en forme de spirale et d'un seul élément de liaison 9 entre l'élément plan 8 et la portion de membrane 2 qui recouvre le substrat semi-conducteur. L'élément de liaison 9 est assimilable à une poutre d'axe XX pouvant être sollicitée en flexion. Outre le mouvement de flexion, l'élément de liaison 9 permet également l'établissement d'un mouvement de torsion de l'élément plan 8. Le champ magnétique Hext est sensiblement aligné dans la direction de l'axe XX. De façon préférentielle, au moins un trou débouchant T est présent au centre de l'élément plan 8. Avantageusement le(s) trou(s) T permettent d'alléger le poids de l'élément 8, autorisant ainsi une plus grande mobilité de cet élément. Un autre avantage de la présence du (des) trou(s) T est de limiter l'amortissement mécanique dû au frottement de la membrane contre l'air, dans le cas d'un inducteur sous air. Selon l'exemple de réalisation de l'invention représenté en figure 3, un seul élément de liaison relie l'élément de membrane plan 7 à la portion de membrane 2 qui recouvre le substrat semi-conducteur. L'invention concerne également d'autres configurations (non représentées sur les figures) dans lesquelles d'autres éléments de liaison relient l'élément de membrane plan 7 à la portion de membrane 2 qui recouvre le substrat semi-conducteur Ces autres éléments de liaison, situés du même côté de l'élément 8 que l'élément de liaison 9, constituent alors d'autres éléments de maintien pour l'élément 8. Les mêmes remarques que celles faites ci-dessus s'appliquent ici pour la diminution du moment d'inertie de la membrane (diminution de l'épaisseur, proportion ajustée des dimensions a, b de la membrane). La figure 4 représente un troisième exemple d'inducteur intégré sur semi-conducteur de l'invention. L'inducteur intégré selon le troisième exemple, de même que l'inducteur intégré selon le premier exemple, comprend un substrat microélectronique 1 recouvert d'une membrane 2, une zone évidée Z formée dans le substrat microélectronique 1, sous la membrane 2, de sorte qu'une portion de membrane 3 se situe au dessus de la zone évidée, la portion de membrane 3 comprenant un élément central 4 et deux zones resserrées 5 et 6 de part et d'autre de l'élément central 4. Les zones 5 et 6 sont alignées selon un axe AA qui constitue un axe de torsion. Les zones resserrées 5 et 6 sont ainsi assimilables à une poutre sollicitée en torsion, comme dans le cas du premier exemple. La différence avec le premier exemple consiste en ce que la piste conductrice P présente une succession de méandres entre une première extrémité Ea située sur un premier côté de l'élément central 4 et une deuxième extrémité Eb située sur un deuxième côté de l'élément central, opposé au premier côté. Les zones 5 et 6 sont recouvertes, respectivement, d'une première portion de piste conductrice p1 et d'une deuxième portion de piste conductrice p2. Les portions de piste p1 et p2 relient respectivement l'extrémité Ea et l'extrémités Eb à des circuits électriques (non représentés sur la figure 4) situés sur la portion de membrane 2. Les mêmes remarques que précédemment s'appliquent ici aussi pour la diminution du moment d'inertie de la membrane (diminution de l'épaisseur et/ou proportion ajustée des dimensions a, b). Un avantage de la topologie d'une piste conductrice qui forme des méandres consiste en ce que le conducteur qui forme la piste conductrice peut être réalisé à l'aide d'un seul niveau de masquage, quels que soient la taille, le nombre et la forme des méandres. The constricted zones 5 and 6 are used as torsion / flexion beams and, consequently, their torsional / bending mechanical characteristics are important for adjusting the value and the resonance frequency of the inductance L. Depending on the desired results, it is then necessary to adjust the length and / or the width and / or the thickness of the constricted zones. The thickness of the membrane in the constricted areas may thus be thinner or thicker than elsewhere (for example from four times thinner to four times thicker). The realization of a different thickness of the membrane is carried out by any means known per se, for example by masking and etching areas to thin or by masking the areas intended to be thinnest and deposition of an additional layer in the areas intended to be the thickest. FIG. 3 represents a second example of a semiconductor integrated inductor according to the invention. The membrane portion 7 located above the recessed zone Z is constituted by a plane element 8 on which is deposited a conductive track P in the form of a spiral and a single connecting element 9 between the plane element 8 and the membrane portion 2 which covers the semiconductor substrate. The connecting element 9 is comparable to a beam of axis XX can be biased in bending. In addition to the bending movement, the connecting element 9 also allows the establishment of a twisting movement of the planar element 8. The magnetic field Hext is substantially aligned in the direction of the axis XX. Preferably, at least one opening hole T is present in the center of the planar element 8. Advantageously, the hole (s) T make it possible to lighten the weight of the element 8, thus allowing greater mobility of the element 8. this element. Another advantage of the presence of (the) hole (s) T is to limit the mechanical damping due to the friction of the membrane against the air, in the case of an inductor under air. According to the exemplary embodiment of the invention shown in FIG. 3, a single connecting element connects the plane membrane element 7 to the membrane portion 2 which covers the semiconductor substrate. The invention also relates to other configurations (not shown in the figures) in which other connecting elements connect the plane membrane element 7 to the membrane portion 2 which covers the semiconductor substrate. These other connection elements , located on the same side of the element 8 as the connecting element 9, then constitute other holding elements for the element 8. The same remarks as those made above apply here for the reduction of the moment inertia of the membrane (decrease of the thickness, adjusted proportion of the dimensions a, b of the membrane). FIG. 4 represents a third example of a semiconductor integrated inductor of the invention. The integrated inductor according to the third example, as well as the integrated inductor according to the first example, comprises a microelectronic substrate 1 covered by a membrane 2, a recessed zone Z formed in the microelectronic substrate 1, under the membrane 2, so that a portion of membrane 3 is located above the recessed area, the membrane portion 3 comprising a central element 4 and two constricted zones 5 and 6 on either side of the central element 4. The zones 5 and 6 are aligned along an axis AA which constitutes a torsion axis. The constricted zones 5 and 6 are thus comparable to a torsionally stressed beam, as in the case of the first example. The difference with the first example is that the conductive track P has a succession of meanders between a first end Ea located on a first side of the central element 4 and a second end Eb located on a second side of the central element , opposite to the first side. Zones 5 and 6 are covered, respectively, with a first portion of conductive track p1 and a second portion of conductive track p2. The track portions p1 and p2 respectively connect the end Ea and the ends Eb to electrical circuits (not shown in FIG. 4) located on the membrane portion 2. The same remarks as above apply here also for the decrease in the moment of inertia of the membrane (decrease of the thickness and / or adjusted proportion of the dimensions a, b). An advantage of the meandering conductor track topology is that the conductor that forms the conductive track can be realized with a single level of masking, regardless of the size, number, and frequency. forms meanders.

En terme de fabrication, la membrane peut être en silicium, en silicium polycristallin ou en nitrure de silicium, selon la filière retenue pour la réaliser ainsi que pour réaliser la zone évidée Z sous la membrane. Son épaisseur est, selon les applications, typiquement comprise entre 100pm et 0,05pm. In terms of manufacture, the membrane can be made of silicon, polycrystalline silicon or silicon nitride, depending on the die used to make it and to make the recessed zone Z under the membrane. Its thickness is, depending on the application, typically between 100pm and 0.05pm.

La figure 5 représente un exemple d'inducteur intégré sur semi-conducteur de l'invention mis en boîtier. Un boîtier B comprend un support 11 sur lequel est rapportée, par collage ou par soudure, une puce 12. La puce 12 est un composant semi-conducteur qui comprend un grand nombre d'inducteurs élémentaires, par exemple une trentaine. Deux aimants permanents Al, A2 sont placés sous le couvercle 10 du boîtier B pour créer un champ magnétique. A l'aide d'un seul dispositif de création de champ magnétique, il est ainsi possible de réaliser un inducteur de très faible encombrement constitué d'un nombre important d'inducteurs élémentaires. C'est un moyen très avantageux pour diminuer la taille des inducteurs qui sont présents en grands nombres dans les composants actifs ou passifs (en particulier les filtres). Exemples de réalisation Des exemples numériques de réalisation d'inducteur de l'invention vont maintenant être donnés. Premier exemple : La membrane est en silicium, de masse volumique 2.33 g.cm3, de coefficient de poisson égal à 0.17 et de module d'Young 150 GPa. L'épaisseur de la membrane est égale à 10 }gym. L'élément central de membrane 3 forme un carré de 800 }gym de côté et les zones resserrées (poutres de torsion) sont de section carrée et ont une longueur de 500 }gym. Sur l'élément central 3, une piste de cuivre de largeur sensiblement égale à 5 pm dessine une seule spire carrée qui longe le bord de l'élément central 3 (la spire unique dessine alors un carré de sensiblement 790 pm de côté). Le champ magnétique est obtenu à partir d'un seul aimant et de pièces polaires en matériau magnétique doux (par exemple du Permalloy). Le champ magnétique statique est de 0.5T. Figure 5 shows an example of a semiconductor integrated inductor of the invention in a housing. A housing B comprises a support 11 to which a chip 12 is attached by gluing or soldering. The chip 12 is a semiconductor component which comprises a large number of elementary inductors, for example thirty. Two permanent magnets A1, A2 are placed under the cover 10 of the housing B to create a magnetic field. With the aid of a single device for creating a magnetic field, it is thus possible to produce a very small inductor consisting of a large number of elementary inductors. This is a very advantageous way to reduce the size of the inductors which are present in large numbers in the active or passive components (in particular the filters). Embodiments of the invention Numerical examples of embodiment of the inductor of the invention will now be given. First example: The membrane is made of silicon, with a density of 2.33 g.cm3, a fish coefficient equal to 0.17 and a Young's modulus of 150 GPa. The thickness of the membrane is 10 μm. The central membrane element 3 forms a square of 800 μm on the side and the constricted zones (torsion beams) are square in section and have a length of 500 μm. On the central element 3, a copper track of width substantially equal to 5 pm draws a single square spire which runs along the edge of the central element 3 (the single turn then draws a square of substantially 790 pm side). The magnetic field is obtained from a single magnet and pole pieces of soft magnetic material (eg Permalloy). The static magnetic field is 0.5T.

La figure 6 représente l'évolution de l'inductance L et de la résistance R de l'inducteur ainsi formé. L'inductance L est de l'ordre de 1,2pH pour des fréquences allant jusqu'à 1kHz, la fréquence de coupure étant de l'ordre de 1,6kHz. FIG. 6 represents the evolution of the inductance L and of the resistance R of the inductor thus formed. The inductance L is of the order of 1.2 pH for frequencies up to 1 kHz, the cutoff frequency being of the order of 1.6 kHz.

Deuxième exemple : Toutes choses égales par ailleurs, la piste dessine une spirale de 15 spires espacées les unes des autres de 3 pm. La largeur de la piste est égale à 5pm et son épaisseur est comprise entre 1pm et 3pm. La valeur de l'inductance L est alors comprise entre 0,2mH et 0,3mH. Troisième exemple : La membrane est une membrane en nitrure de silicium Si3N4 d'épaisseur 0,lpm. La spirale comporte un seul tour, sa largeur est égale à 5pm et son épaisseur est également égale à 5pm. Les zones resserrées 5 et 6 (poutres de torsion) ont une longueur de 0.1 pm, une largeur de 5 pm et une épaisseur de 0.05 pm. Le système peut être placé sous vide afin d'obtenir un coefficient de frottement visqueux très faible. Le champ magnétique peut être obtenu, par exemple, en plaçant deux petits aimants dans un boîtier, le pôle Nord de l'un étant séparé du pôle Sud de l'autre par une pièce plastique non magnétique, l'inducteur étant situé sous le boîtier, dans un espace situé sensiblement entre les deux aimants. Des aimants de type Néodyme Fer Bore sont adaptés à une telle utilisation, puisqu'ils permettent de produire un champ magnétique dont l'intensité dépasse le Tesla. Pour l'exemple considéré, le champ appliqué vaut ainsi 10000 Gauss. L'inductance de l'inducteur ainsi obtenue est sensiblement égale à 1,5nH, soit une valeur environ 200 fois plus élevée que celle d'un inducteur classique. Sa fréquence de coupure est de l'ordre du MHz (0.94MHz). Pour obtenir un coefficient de qualité important, l'inducteur magnétomécanique peut être placé sous vide en utilisant, par exemple, les technologies utilisées de manière usuelle dans le domaine des MEMS. Second example: All things being equal, the track draws a spiral of 15 turns spaced from each other by 3 μm. The width of the track is equal to 5pm and its thickness is between 1pm and 3pm. The value of the inductance L is then between 0.2mH and 0.3mH. Third Example: The membrane is a Si3N4 silicon nitride membrane with a thickness of 0.1 μm. The spiral has a single turn, its width is equal to 5pm and its thickness is also 5pm. The constricted zones 5 and 6 (torsion beams) have a length of 0.1 μm, a width of 5 μm and a thickness of 0.05 μm. The system can be placed under vacuum to obtain a very low viscosity coefficient of friction. The magnetic field can be obtained, for example, by placing two small magnets in a housing, the North Pole of one being separated from the South pole of the other by a non-magnetic plastic part, the inductor being located under the housing in a space substantially between the two magnets. Neodymium Iron Bore type magnets are suitable for such use, since they make it possible to produce a magnetic field whose intensity exceeds the Tesla. For the example considered, the applied field is thus 10,000 Gauss. The inductance of the inductor thus obtained is substantially equal to 1.5nH, a value approximately 200 times higher than that of a conventional inductor. Its cutoff frequency is of the order of MHz (0.94MHz). To obtain a high quality coefficient, the magnetomechanical inductor can be placed under vacuum using, for example, the technologies conventionally used in the field of MEMS.

Claims

1. Integrated semiconductor inductor characterized in that it comprises: - a semiconductor substrate (1) having a substantially planar face on which is deposited a membrane (2), - at least one recessed area (Z) formed in the semiconductor substrate (1), under the membrane, the membrane portion located above the recessed area (Z) being cut in the form of at least one plane pattern (3) on which is deposited a conductive track (P) which forms an inductor element adapted to be traversed by a current, the plane pattern (3) consisting of a membrane element (4) and at least a constricted part (5, 6) which constitutes an element connecting the membrane element (4) and the membrane (2) deposited on the semiconductor substrate (1), and - means for creating a static magnetic field in the plane plane plane.

An integrated semiconductor inductor according to claim 1, wherein: the conductive track (P) deposited on the membrane element (4) draws a spiral formed between a first end (El) located outside the the spiral and a second end (E2) located inside the spiral, and - a first constricted portion (5) is located on a first side of the membrane element (4), the conductive track (P) which covers the first outer portion being formed of a first conductive track fraction (p1) and a second conductive track fraction (p2) which connect, respectively, the first end (El) and the second end (E2) to elements conductors located on the membrane (2) deposited on the semiconductor substrate.

An integrated semiconductor inductor according to claim 2, wherein at least one additional constricted portion is devoid of any conductive track (6).

An integrated semiconductor inductor according to claim 3, wherein the additional constricted portion (6) blank of any conductive track is located on the first side of the membrane member (4), adjacent to the first constricted portion (5).

An integrated semiconductor inductor according to claim 3, wherein the further constricted portion (6) blank of any conductive track is located on a second side of the membrane member (4) opposite the first side.

6. Integrated semiconductor inductor according to claim 5, wherein the first constricted portion (5) and the constricted portion (6) virgin of any conductive track are aligned along the same axis (AA).

A semiconductor integrated inductor according to any of claims 2 to 6, wherein a through hole (T) passes through the membrane member (4) so that the spiral conductive track surrounds the through hole (T).

8. integrated semiconductor inductor according to claim 1, wherein: - the conductive track deposited on the membrane element (4) draws a succession of meanders between a first end (Ea) located on a first side of the a membrane member (4) and a second end (Eb) located on a second side of the membrane member (4) opposite the first side; - a first constricted portion (5) is located on the first side of the element membrane, and - a second constricted portion (6) is located on the second side of the membrane element, the conductive track deposited on the first constricted portion being constituted by a first conductive track fraction (pa) which electrically connects the first end (Ea) to a first conductive element located on the membrane which is located on the semiconductor substrate and the conductive track deposited on the second constricted part consisting of a a second conductive track fraction (pb) which electrically connects the second end (Eb) to a second conductive element located on the membrane which is located on the semiconductor substrate.

An integrated semiconductor inductor according to claim 8, wherein at least one additional constricted portion blank of any conductive member is located on said first side of the membrane member and / or at least one additional constricted portion blank of any conductive element is located on said second side of the membrane element.

An integrated semiconductor inductor according to any one of the preceding claims wherein the thickness of the membrane in the constricted portion (5, 6) is substantially between one quarter of the thickness and four times the thickness of the the membrane located outside the constricted part.