MEMS‐Reconfigurable Spintronic and Magnonic Devices

The scaling of wireless communication and computing systems toward higher operating frequencies and broader bandwidths has shifted fundamental limitations from active device speed to signal routing, phase control, and power dissipation. In RF front-end architectures operating above 6 GHz, these challenges manifest as size, weight, and power (SWaP) constraints driven by the replication of fixed-function phase shifters and time-delay units in multi-antenna systems. This motivates the exploration of alternative wave-based platforms capable of compact, low-loss, and reconfigurable phase control. This thesis investigates magnonics as a platform for RF phase manipulation and time delay based on spin-wave propagation in magnetically ordered materials. Spin waves operate naturally in the microwave to millimeter-wave range, exhibit submicron wavelengths at gigahertz frequencies, and propagate without net charge transport, enabling low-loss and highly compact phase-control functionalities. Practical deployment, however, requires the generation of local magnetic bias fields together with energy-efficient on-chip tunability, eliminating the need for bulky external magnets while remaining compatible with SWaP-constrained systems. In this work, permanent micromagnets are integrated to provide static on-chip bias fields, whereas microelectromechanical systems (MEMS) are implemented as a dynamic control layer to modulate the magnetic landscape of the magnonic devices. A sequence of experimental demonstrators establishes on-chip magnetic biasing, standalone spin-wave propagation, and reconfigurable phase control. We first demonstrate controlled manipulation of spin waves using integrated permanent micromagnets. This approach is extended to compact, standalone spin-wave time-delay units achieving delays up to 180 ps within footprints of 100 x 150 µm². Building on this platform, MEMS-actuated micromagnets enable broadband reconfigurable phase shifters operating in the 7.5–11.5 GHz range. Finally, a strain-mediated scheme based on piezoelectric MEMS bridges achieves full 2π phase modulation with actuation voltages below 5 V, reaching sub-volt operation under resonant conditions. These MEMS-based modulation strategies are further extended to reconfigurable spintronic networks, demonstrating dynamic control of anisotropic magnetoresistance diode chains for neuromorphic computing applications. Together, the results establish MEMS-controlled magnonics and spintronics as a platform for compact, tunable, and fully integrated RF and computing architectures compatible with stringent SWaP constraints.

La progressiva evoluzione dei sistemi di comunicazione wireless e di calcolo verso frequenze operative più elevate e larghezze di banda sempre maggiori ha spostato i limiti fondamentali dalle prestazioni dei dispositivi attivi verso la gestione del segnale, il controllo di fase e la dissipazione di potenza. Nelle architetture di front-end RF operanti oltre i 6 GHz, tali criticità si traducono in vincoli di dimensioni, peso e consumo di potenza (SWaP), dovuti alla replicazione di sfasatori e unità di ritardo a funzione fissa nei sistemi multi-antenna. Questo scenario motiva l’esplorazione di piattaforme alternative basate su onde, in grado di offrire un controllo di fase compatto, a basse perdite e riconfigurabile. Questa tesi analizza la magnonica come piattaforma per la manipolazione della fase e del ritardo RF, sfruttando la propagazione di onde di spin in materiali magneticamente ordinati. Le onde di spin operano naturalmente nel dominio delle microonde e delle onde millimetriche, presentano lunghezze d’onda submicrometriche a frequenze dell’ordine dei gigahertz e si propagano senza trasporto netto di carica, consentendo funzionalità di controllo di fase altamente compatte e a basse perdite. La loro implementazione pratica richiede tuttavia una riconfigurabilità energeticamente efficiente implementabile su chip, compatibile con sistemi soggetti a vincoli SWaP. Per rispondere a questa esigenza, i sistemi microelettromeccanici (MEMS) vengono proposti in questa tesi come livello di controllo integrato per dispositivi magnonici. Una sequenza di dimostratori sperimentali viene usata per dimostrare l’integrazione di sorgenti di bias magnetico on-chip, la propagazione autonoma di onde di spin e il controllo di fase riconfigurabile. La manipolazione controllata delle onde di spin viene inizialmente dimostrata mediante micromagneti permanenti integrati. Questo approccio viene poi esteso alla realizzazione di unità compatte e autonome di ritardo a onde di spin, capaci di raggiungere ritardi fino a 180 ps in un’area di 100 x 150 µm². Successivamente, micromagneti attuati tramite MEMS consentono la realizzazione di sfasatori riconfigurabili a banda larga operanti nell’intervallo 7,5–11,5 GHz. Un approccio mediato da deformazione, basato su ponti MEMS piezoelettrici, permette infine una modulazione di fase completa pari a 2π con tensioni di attuazione inferiori a 5 V, raggiungendo un funzionamento sotto il volt in condizioni risonanti. Queste strategie di modulazione basate su MEMS sono ulteriormente estese a reti spintroniche riconfigurabili, dimostrando il controllo dinamico di catene di diodi a magnetoresistenza anisotropa per applicazioni di calcolo neuromorfico. Nel complesso, i risultati stabiliscono la magnonica e la spintronica controllate tramite MEMS come piattaforme per architetture RF e di calcolo compatte, riconfigurabili e pienamente integrate.