Dinàmica caòtica en ressonadors CMOS-MEMS

(Contenido en el idioma por defecto)

La tesi doctoral de Joan Barceló Aguiló demostra la possibilitat d’obtenir comportament biestable i caòtic en ressonadors microelectromecànics (MEMS) fabricats amb tecnologies comercials CMOS de circuits integrats 

La Llei de Moore prediu que el nombre de transistors en un circuit o xip es duplica cada dos anys. Malgrat que aquesta observació sobre la proliferació tecnològica sembla que es compleix any rere any, cada vegada pren més força entre la comunitat científica la idea que aquesta llei s'acosta al seu límit físic. Per aquest motiu, les estratègies de millora dels xips se centren també a afegir-hi noves funcionalitats més que no a augmentar el nombre de transistors. És el que s'anomena estratègia «More than Moore».

Un exemple de «More than Moore» són els sistemes microelectromecànics o MEMS. Són dispositius de mida microscòpica que s'integren en els circuits i que permeten diversificar-ne les funcionalitats, la qual cosa fa possible usar-los en un ampli rang d'aplicacions: des de l'electrònica de consum fins a la biomedicina o la indústria automobilística.

A la Universitat de les Illes Balears, el Grup de Sistemes Electrònics treballa en l'anàlisi, disseny i mesura de la resposta caòtica en ressonadors MEMS per aconseguir més bones prestacions que les reportades en la literatura científica. L'objectiu del projecte TEC2014-52878-R, que lidera el doctor Jaume Verd, és aplicar-los en comunicacions segures amb avantatges, en termes de freqüència i velocitat, respecte dels sistemes tradicionals d'encriptació basats en programari i amb valors afegits respecte dels sistemes òptics i/o purament electrònics.

En aquest àmbit Joan Barceló Aguiló ha fet la tesi i l’ha defensada a la Universitat de les Illes Balears. Concretament, els dissenys analitzats i fabricats en la tesi doctoral de Joan Barceló Aguiló corresponen a microestructures MEMS molt simples amb un grau d'integració elevat i una potencial escalabilitat a dimensions nanomètriques, fent ús de l’actuació electrostàtica i la lectura capacitiva. S'ha desenvolupat un model electromecànic que considera les no-linealitats de la transducció electromecànica, així com un perfil acurat de deflexió i la contribució d’efectes de segon ordre (estrès residual, fringing fields i efecte tèrmic).

A partir d’aquest model, s’han analitzat des d’una perspectiva pràctica les condicions geomètriques i elèctriques necessàries per obtenir moviment caòtic sostingut en ressonadors de tipus biga amb actuació electrostàtica. La precisió del model electromecànic i de les seves prediccions ha estat validada mitjançant simulacions tipus FEM i principalment per mesures experimentals en diferents prototips desenvolupats al laboratori. Així, els resultats assolits en aquesta tesi sobrepassen els enfocaments merament numèrics o analítics reportats fins al moment per aquests tipus de ressonadors.

La tesi posa de manifest la necessitat de treballar amb moviment caòtic de pou creuat (cross-well), fet que implica un comportament biestable del dispositiu MEMS. D’aquesta manera, la biestabilitat és el primer pas per obtenir el comportament caòtic i un resultat en si mateix que permet explotar les diverses potencials aplicacions que presenta. Per primera vegada s'han obtingut mesures experimentals de comportament biestable i caòtic sostingut en un ressonador tipus pont, recte i no forçat axialment, i que a més opera en el rang dels MHz.

Aquests resultats pioners amb estructures simples i totalment escalables representen un avenç en el desenvolupament d'una plataforma compacta i de baix cost per l'estudi d'aplicacions de la biestabilitat i la generació de senyals caòtics amb valors afegits respecte de la utilització de circuits estrictament electrònics.

Fitxa de la tesi doctoral

  • Títol: Nonlinear and chaotic behavior in CMOS-MEMS resonators
  • Autor: Joan Barceló Aguiló
  • Programa de doctorat: Enginyeria Electrònica
  • Director: Jaume Verd Martorell 

Fecha de publicación: 12/06/2019