Compensation en fréquence des résonateurs MEMS pour des applications de référence de temps - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2012

MEMS Resonator Frequency Compensation for Time Reference

Compensation en fréquence des résonateurs MEMS pour des applications de référence de temps

Résumé

At present, Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) have become essential in everyday technology products. Thanks to their size, performances and integration, resonant microsystems have been enrolled in the diversification of the famous Moore's Law. However, the time based applications remain the market segment where MEMS are unable to settle permanently. Indeed, the oscillator-based Quartz is the number one product on the market, a market estimated at $ 17 billions, thanks to a frequency stability of a few parts per million over its lifetime. Given the link between the frequency of a MEMS resonator and its intrinsic dimensions, the various manufacturing steps induce a shift of this frequency from the target value. We will try to address this drift. In this context, we proposed a new method of correction across the wafer. This method consists of a final technological step after a first electrical measurement to quantify the drift. We will show that it is possible in one step, to reduce the Gaussian representing the frequency variation within the wafer to a few parts per million. From this perspective, we have developed two physical models that quantify the correction to achieve the objectives. Moreover, we set up a manufacturing process CMOS compatible with only 10 steps starting with a SOI wafer. This process has enabled the production of flexural mode resonators and bulk mode resonators, whose intrinsic performances (f, Q) can compete with Quartz. Finally, we validated our concept and our physical models thanks to electrical characterization of our devices. Analysis of the results allowed us to develop a list of possible improvements to establish a route to the industrialization of MEMS resonators. First, special attention will be focused on the choice of substrate and the technology used to ensure perfect performances. Correction method requires a preliminary electrical measurement, this step must be detailed and one have to ensure that it does not increase the overall cost. Although partially studied, the packaging of MEMS and integration are the points to consider in particular keeping the specifications of the resonator itself.
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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Dates et versions

tel-00838019 , version 1 (24-06-2013)
tel-00838019 , version 2 (08-10-2013)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00838019 , version 1

Citer

Yoan Civet. Compensation en fréquence des résonateurs MEMS pour des applications de référence de temps. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université de Grenoble, 2012. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00838019v1⟩
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