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« Compensation en fréquence des résonateurs MEMS pour des applications de référence de temps ».

Auteur : Y. Civet
Directeur de thèse : S. Basrour
Président du jury : B. Dulmet
Rapporteur(s) de thèse : T. Bourouina, A. Bosseboeuf,
These de Doctorat Université de Grenoble
Spécialité : Nanoélectronique et Nanotechnologies
Soutenance : 16/05/2012
ISBN : 978-2-84813-188-7

Résumé

A l’heure actuelle, les Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) sont devenus incontournables dans les produits technologiques quotidiens. De par leur taille, leurs performances et leur intégration, les microsystèmes résonants se sont inscrits dans la diversification de la fameuse Loi de Moore. Cependant les applications de type base de temps demeurent le segment de marché où les MEMS ne parviennent pas à s’imposer durablement. En effet, grâce à une stabilité en fréquence de quelques parties par millions, l’oscillateur à base de résonateur en Quartz reste le produit numéro 1 d’un marché estimé à dix-sept milliards de dollars. Etant donné le lien entre la fréquence d’un résonateur silicium MEMS et ses dimensions intrinsèques, les différentes étapes de fabrication induisent un décalage de cette fréquence par rapport à la valeur visée. C’est donc cette dérive que nous tenterons d’adresser. Dans ce contexte, nous avons proposé une nouvelle méthode de correction à l’échelle du substrat. Cette méthode consiste en une ultime étape technologique, après une première mesure électrique des dispositifs qui permet de quantifier la dérive, à ramener la fréquence à la valeur souhaitée par un ajout localisé de matière. Nous montrerons qu’il est possible, en une seule étape, de réduire la Gaussienne représentative de la variation de la fréquence au sein du substrat à quelques parties par million. Pour cela, nous avons développé deux modèles physiques qui permettent de quantifier la correction pour atteindre les objectifs. En parallèle, nous avons mis en place un processus de fabrication compatible avec la filière CMOS avec seulement dix étapes dont le point de départ est un substrat de type SOI. Ce procédé a permis la fabrication de résonateur à modes de flexion et ondes de volume, dont les performances intrinsèques (f et Q) permettent de concurrencer les résonateurs Quartz. Enfin, nous avons validé notre concept et nos modèles physiques par des caractérisations électriques de nos dispositifs. L’analyse des résultats nous a permis de dresser une liste des pistes d’amélioration pour établir une voie vers l’industrialisation durable des résonateurs MEMS. Dans un premier temps, une attention toute particulière se portera sur le choix du substrat et la technologie utilisée pour garantir des performances optimales. La méthode de correction nécessite une mesure électrique intermédiaire, cette étape doit être précisée et il faut s’assurer qu’elle n’augmente pas le coût global de la fonction. Bien que discutés, le packaging du MEMS et l’intégration seront des points à étudier, tout particulièrement pour conserver les spécifications du résonateur lui-même.

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