Les Micro Electro Mechanical Systems (MEMS)

Les MEMS dans les architectures RF 

Les Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) sont des composants comprenant un ou plusieurs éléments mécaniques, utilisant l’électricité comme source d’énergie, en vue de réaliser une fonction de capteur et/ou d’actionneur, avec au moins une structure présentant des dimensions micrométriques. Compte tenu de la définition très générale de ce type de composant, nous recensons un très grand nombre de dispositifs sous l’entité MEMS. Les dispositifs peuvent être classés en trois catégories qui sont :

• Les capteurs : nous trouvons par exemple les accéléromètres, couramment utilisés dans les airbags ou les manettes de jeu, certains capteurs de pression, d’humidité, de molécules…
• Les actionneurs : nous trouvons par exemple les interrupteurs (Switches), les micro-moteurs…
• Les MEMS RF : ce sont les MEMS dédiés aux applications RF. Nous trouvons, entre autres, les résonateurs Bulk Acoustic Wave (BAW), les switches RF, les capacités variables ou encore les résonateurs électromécaniques.

MEMS utilisés

Les MEMS sont de plus en plus convoités pour les applications RF, de part leur fort potentiel d’amélioration des architectures, tant en termes de performances que de miniaturisation. Les composants MEMS attirant le plus l’attention sont les suivants : les switches, les capacités variables, les résonateurs BAW et les résonateurs électromécaniques. Nous recensons également quelques composants émergents, comme les résonateurs à base de cavité, les inductances variables ou encore les composants à base de nanotubes de carbone. Avec ces derniers, nous rentrons dans le monde des Nano Electro Mechanical Systems (NEMS). Parmi les composants évoqués, ceux qui suscitent le plus d’efforts en termes de Recherche et Développement (R&D) de part leur fort potentiel, sont les suivants :
• Les résonateurs BAW. Ce sont certainement les MEMS RF les plus matures puisqu’ils sont sur le marché depuis 2002 en ce qui concerne les duplexers et filtres commercialisés par les sociétés Avago Technologies et Infineon, par exemple. De nombreux développements sont encore menés sur ces composants afin d’améliorer leurs performances et de permettre leur utilisation dans d’autres applications, comme par exemple les oscillateurs de référence.
• Les switches. Ils ont fait naître des start-up dès 2003 et sont aujourd’hui sur le marché (Radant MEMS, Teravicta) avec une production en faible quantité. Comme pour les BAW, les composants font encore l’objet d’études R&D afin de proposer de meilleures performances et de pouvoir diversifier les applications.
• Les résonateurs électromécaniques. Ils sont également à l’origine de quelques start-up comme Discera, SiTime ou encore Silicon Clocks. En 2007, le premier million de composants a été vendu concernant des applications faibles performances. Compte tenu de leur fort potentiel industriel, les résonateurs électromécaniques font actuellement l’objet de nombreuses études R&D afin d’arriver à des performances et une maturité suffisantes leur permettant de s’imposer sur le marché des quartz, par exemple.

Fonctions à base de MEMS 

Les MEMS RF peuvent remplacer bon nombre de fonctions nécessaires à une architecture RF classique. Le groupe de C. T-.C. Nguyen a imaginé parmi les fonctions présentes dans les architectures RF, celles qui sont susceptibles d’être remplacées par des MEMS RF [1].

Concernant la fonction de filtrage, le MEMS RF le plus à même de remplacer les filtres actuels de type céramique ou Surface Acoustic Wave (SAW), est à base de résonateurs BAW. Nous pouvons cependant envisager un recours aux résonateurs électromécaniques, pour le remplacement de certains filtres. Ainsi, un grand nombre de publications est consacré au filtrage à partir de résonateurs électromécaniques, comme par exemple dans [2,3,4].

Résonateurs électromécaniques 

Quelques définitions 

Commençons par définir ce qu’est un résonateur, au sens mécanique du terme. Le résonateur est un corps physique susceptible d’entrer en vibration par effet de résonance. Les résonateurs électromécaniques sont composés de deux ensembles : une partie mécanique et une partie électrique. Ces deux ensembles sont liés par des transductions dites « électromécaniques », qui permettent de passer d’une grandeur électrique à une grandeur mécanique, et inversement. Cela s’avère très utile pour l’actionnement ou la détection des mouvements des résonateurs.

Le premier ensemble concerne la partie mécanique du résonateur, c’est la structure vibrante. Cette structure est dimensionnée et choisie pour ses propriétés mécaniques. Nous trouvons couramment des structures vibrantes dans notre environnement, tels que les poutres bi-encastrées, encastrées-libres, les diapasons et bien d’autres encore. Les paramètres qui nous intéressent sur la structure vibrante sont principalement la fréquence de résonance et le facteur de qualité. La fréquence de résonance, notée f , est définie comme étant la fréquence à laquelle la structure va vibrer. Il peut y avoir plusieurs fréquences de résonances sur une même structure, dépendant des différents modes qu’il est possible d’exciter. Le facteur de qualité, noté Q , constitue l’un des critères de performance des résonateurs. Ce facteur représente les pertes d’énergie : nous le définissons comme étant le rapport des pertes du système sur l’énergie emmagasinée au cours d’un cycle de vibration. Nous recherchons naturellement à obtenir un composant présentant le plus fort facteur de qualité possible. Afin de pouvoir comparer les performances de différents résonateurs, nous définissons un facteur de mérite très utile comme étant le produit de la fréquence de résonance d’un mode considéré par son facteur de qualité, noté f ⋅ Q .

Le second ensemble concerne la partie électrique du dispositif. Pour être fonctionnelles, les structures mécaniques résonantes doivent pouvoir être actionnées, et nous devons aussi pouvoir détecter leur vibration.

Le mode d’actionnement le plus pratique est l’excitation électrique, qui est de plus compatible avec la microélectronique. C’est pourquoi nous avons recours à des transducteurs électromécaniques afin de relier l’excitation électrique et mécanique. En effet, l’envoi d’un signal électrique sur une électrode dédiée à l’actionnement se traduit par une excitation mécanique de la structure résonante : nous parlons de transduction électrique-mécanique. Concernant la détection, il faut envisager la transduction inverse : mécanique-électrique.  Enfin, de même que nous utilisons le facteur de qualité comme facteur de performance, nous utilisons également un autre paramètre important permettant de comparer les performances des différents résonateurs : la résistance motionnelle. Nous pouvons la définir comme étant la résistance électrique du circuit équivalent (§1.3.9) du résonateur à la résonance mécanique de la structure vibrante. Nous rechercherons à obtenir des résistances motionnelles faibles, de 50 à quelques Ω kΩ , permettant de répondre aux besoins de notre application d’oscillateur de référence. Cette résistance est liée au facteur de qualité, mais aussi au mode de transduction et aux tensions appliquées sur le résonateur.

Transduction 

Types de transduction

Les MEMS sont souvent classés en fonction de leur mode de transduction. Cette dernière peut se faire soit en utilisant des matériaux spécifiques tels que piézoélectriques [6,7,8], électrostrictifs ou encore magnétostrictifs, soit en ayant recours à différentes forces telles qu’électrostatiques, l’électromagnétiques, l’électrodynamiques, ou encore électrothermiques [9]. Parmi les principes cités, et compte tenu de notre problématique consistant à travailler uniquement sur des résonateurs MEMS ayant un fort potentiel d’intégration avec les technologies de la microélectronique, dans le but de faire des oscillateurs de référence, nous avons choisi de privilégier la transduction la plus intégrable avec les technologies CMOS, à savoir la transduction électrostatique. Nous ne traiterons donc pas des autres types de transduction lors de cette étude.

Transduction électrostatique

La transduction électrostatique, aussi bien pour l’actionnement que la détection, est le mode de transduction électromécanique le plus utilisé dans l’univers des MEMS, entre autres pour les résonateurs.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
1 ER CHAPITRE : LES MEMS DANS LES SYSTEMES DE COMMUNICATION
1.1 INTRODUCTION
1.2 LES MEMS DANS LES ARCHITECTURES RF
1.2.1 MEMS utilisés
1.2.2 Fonctions à base de MEMS
1.3 RESONATEURS ELECTROMECANIQUES
1.3.1 Quelques définitions
1.3.2 Transduction
1.3.3 Actionnement et détection
1.3.4 Amortissement
1.3.5 Résonateurs à modes de flexion
1.3.6 Résonateurs à ondes de volume
1.3.7 Comparaison résonateurs flexion et volume
1.3.8 Co-intégration des résonateurs avec les circuits intégrés
1.3.9 Modèle électrique équivalent
1.4 OSCILLATEURS MEMS
1.4.1 Généralités sur les oscillateurs
1.4.2 Catégories d’oscillateurs
1.4.3 Comparaison d’oscillateurs Quartz et MEMS
1.4.4 Marché des oscillateurs MEMS
1.4.5 Etat de l’art des oscillateurs MEMS
1.5 PROBLEMATIQUE ET CHOIX DES DISPOSITIFS D’ETUDE
1.5.1 Problématique
1.5.2 Choix d’une technologie
1.5.3 Choix des dispositifs d’étude
2 EME CHAPITRE : CONCEPTION ET MODELISATION
2.1 INTRODUCTION
2.2 POSTULATS POUR LA CONCEPTION
2.3 DESIGN ELECTROMECANIQUE
2.3.1 Dimensionnement fréquentiel
2.3.2 Déformée d’une poutre bi-encastrée
2.3.3 Effet des contraintes dans le résonateur
2.3.4 Non-linéarités
2.3.5 Effet de la tension de polarisation
2.3.6 Tension de pull-in d’une poutre bi-encastrée
2.3.7 Etude du facteur de qualité
2.3.8 Effet de la capacité de couplage
2.3.9 Bilan sur le choix des structures
2.4 MODELE DYNAMIQUE POUR UNE DETECTION CAPACITIVE
2.4.1 Entrées et sorties
2.4.2 Description du modèle
2.4.3 Utilisation du modèle
2.5 MODELE DYNAMIQUE POUR UNE DETECTION PAR TRANSISTOR MOS LATERAL
2.5.1 Entrées et sorties
2.5.2 Description du modèle
2.5.3 Validation du modèle par simulations
2.5.4 Utilisation du modèle
2.6 COMPARAISON DETECTION CAPACITIVE ET PAR TRANSISTOR, EN MODELISATION
2.7 CONCLUSION ET PERSPECTIVES
2.7.1 Conclusion
2.7.2 Perspectives
3 EME CHAPITRE : REALISATIONS TECHNOLOGIQUES
3.1 INTRODUCTION
3.2 TECHNOLOGIE SON POUR LES TRANSISTORS MOS
3.3 TECHNOLOGIE SON POUR LES MEMS
3.3.1 Fabrication
3.3.2 Bilan de la technologie
3.3.3 Optimisation de la technologie
3.4 PACKAGING ET CO-INTEGRATION
3.5 CONCLUSION ET PERSPECTIVES
3.5.1 Conclusion
3.5.2 Perspectives
CONCLUSION

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