Classement des résonateurs MEMS

MEMS

Ondes EM _acoustiques Ondes

L-C T-Line Cavité Diélectriques Électro- mécanique BAW SAW Couplages : Capacitif Piézorésistif Couplages :

14 Chapitre 1 . État de l’art des résonateurs MEMS

Les oscillateurs constituent un domaine peu visible du grand public, probablement en raison de son caractère non-spécifique : les télécommunications sont devenues omniprésentes, et de ce fait l’oscillateur qui les rend possibles est devenu une commodité dont l’existence semble aller de soi. En réalité, il n’en est rien, et la lutte économique dans ce domaine est sévère. On ne peut que constater les difficultés, voire la disparition de nombreuses entreprises européennes spécialisées dans la production d’oscillateurs et résonateurs piézoélectriques : CEPE, KVG, Quartz-Keramik. Lorsque ce type de production était rattaché à un grand groupe, bien souvent celui-ci a simplement fermé la branche (Thomson, Alcatel). Il est probable que le coût de la main d’œuvre ait été un facteur décisif dans la mesure où la fabrication avec les technologies de la micromécanique demande beaucoup de savoir-faire aux opérateurs et cette exigence est difficile à concilier avec le contexte ambiant de globalisation de l’économie, qui privilégie le coût et le volume de production et suscite une compétition acharnée. Par exemple, un des enjeux actuels est la 5 𝐺, pour laquelle on ne sait pas encore quel type de résonateur sera le plus approprié, bien qu’il soit probable que cela reste un composant piézoélectrique. Nos travaux se situent dans une plage de fréquence beaucoup plus basse (0‒ 100 𝑀𝐻𝑧), dans laquelle des entreprises comme Avago et surtout Si-Time ont réussi à proposer des oscillateurs tout silicium constituant une alternative commerciale aux oscillateurs piézoélectriques. Même si la production de Si-Time ne représente qu’une petite fraction de la production mondiale d’oscillateurs, les systèmes piézoélectriques se comptant annuellement par dizaines de millions d’unités, il est symptomatique que la compagnie n’accepte les commandes que par 50 000 unités. Il est donc intéressant pour le laboratoire de réfléchir aux moyens de contribuer au développement de nouveaux résonateurs silicium dans une approche originale en vue de surmonter les limitations auxquelles les configurations existantes de résonateurs électromécaniques se verront confrontées à plus ou moins longue échéance.

1.2 Les résonateurs électromécaniques

Les résonateurs électromécaniques MEMS présentent un fort potentiel pour le remplacement des Quartz dans certaines applications de référence de temps. Dans ce contexte, nous proposons de développer des résonateurs électromécaniques en vue d’une intégration « front-end » pour la réalisation d’oscillateurs intégrés. Ici nous exposons seulement les points essentiels de la théorie des micro-résonateurs électromécaniques. Le résonateur constitue la première brique pour réaliser les oscillateurs. D’un point de vue système, un résonateur électromécanique est un système entrée/sortie dans lequel le signal entrant par le port d’entrée subit une modification à la sortie. Si les deux signaux d’entrée et de sortie sont définis par rapport à une masse, le système est un quadripôle électrique, mais il est également possible que le résonateur soit seulement un dipôle dont l’admittance varie en fonction de la fréquence. La modification subie par le signal dépend entre autres des grandeurs physiques du signal comme sa fréquence (et/ou) son amplitude mais aussi des propriétés physiques du résonateur comme les dimensions et les matériaux le constituant. Le mode d’actionnement le plus usité est l’excitation électrique, du fait de sa compatibilité avec la microélectronique. C’est pourquoi nous avons eu recours à des traductions électromécaniques afin de relier le domaine électrique et le domaine mécanique. Le résonateur peut alors être vu comme étant un assemblage de deux sous-ensembles, à savoir une partie mécanique (en vert dans le schéma de principe) représentant la structure vibrante, et une partie électrique (en rouge dans le schéma de principe) définissant le mode de transduction nécessaire pour la mise en vibration de cette structure vibrante, objectif atteint en utilisant la résonance mécanique du résonateur.

1.2 Les résonateurs électromécaniques 15

Ces deux sous-ensembles sont liés par des transductions dites « électromécaniques », qui permettent d’assurer le passage d’une grandeur électrique à une grandeur mécanique et vice versa. Cette façon de présenter est très utile pour l’actionnement ou la détection des mouvements des résonateurs et intervient aussi dans les méthodes d’impédance et les modèles de ligne électrique utilisés pour établir le schéma équivalent électrique d’un résonateur piézoélectrique (schéma de Mason [Mason, 1958]). La conversion électromécanique y est représentée par un transformateur. Le signal électrique est directement injecté par le biais de l’électrode d’excitation, ce dernier est converti en mouvement vibratoire (mécanique) de la structure vibrante : la transduction électrique-mécanique est alors implémentée par la force électrostatique, colinéaire au champ électrique et proportionnelle au carré de l’amplitude de celui-ci. La force est donc normale puisque les lignes de champ se connectent à un conducteur parfait suivant la normale à celui-ci. Quant à la détection, le signal électrique est directement récupéré par l’électrode. La transduction inverse, c’est-à-dire mécanique-électrique, est réalisée par la variation de capacité du résonateur consécutivement à sa déformation dynamique. Ces deux mécanismes, direct et inverse, sont implicitement employés dans les MEMS, sauf mention contraire. Nous citons cependant d’autres mécanismes de transduction dans le paragraphe §1.3.5.1.