Résonateurs MEMS, principe et applications

Les microsystèmes électro mécaniques (MEMS) sont des systèmes ayant au moins un degré de liberté mécanique, dont au moins l’une des dimensions est micrométrique, et dont l’actionnement et la détection du mouvement est réalisé par transduction électronique. Ces transductions peuvent se faire en exploitant différents phénomènes physiques (piézoelectricité, piézorésistivité, transduction électrostatique, électrothermique ou optique…).

Résonateurs MEMS, principe et applications

Les MEMS ont permis l’émergence de capteurs (inertiels, de masse, de température, de pression…) d’horloges, d’actionneurs de taille microscopique et basse consommation. Par ailleurs, étant issus des technologies de fabrications de circuits intégrés, ils peuvent être fabriqués en grande quantité, à bas coût. Comme tout systèmes mécaniques, ils possèdent un jeu de fréquences spécifiques, dites fréquences de résonance, auxquelles l’amplitude de mouvement est particulièrement élevée. Certains de ces systèmes sont fabriqués pour travailler à ces fréquences, en général à la première d’entre elle, appelée fréquence propre, pour deux raisons principales. La première est que l’amplitude du mouvement est telle que le dispositif d’amplification du signal peut être réduit, donc moins bruyant, tout en sortant un signal exploitable par la suite. Placé dans une boucle de rétroaction électronique, qui injecte suffisamment d’énergie à chaque cycle pour compenser les pertes, un tel dispositif permet la génération d’une fréquence de manière stable. Pour de telles applications, les MEMS sont utiles car ils peuvent présenter un facteur de qualité (Q) élevé si encapsulé dans le vide, c’est-à-dire de faibles pertes par cycle, donc à la fois un besoin d’amplification réduit et une stabilité fréquentielle élevée.

La seconde raison pour laquelle les résonateurs sont utilisés vient du fait que la valeur de la fréquence de résonance est hautement liée aux caractéristiques physiques du résonateur (représentées par sa masse et sa raideur). Une modification de la masse ou de la raideur résulte en une modification de la fréquence de résonance. Grâce à une conception particulière, on peut relier une quantité physique à mesurer (le mesurande) à la masse ou la raideur du résonateur, et ainsi réaliser un capteur dit « résonant ». Le résonateur est alors généralement placé dans une boucle de rétroaction, formant un oscillateur dont la fréquence d’oscillation est liée au mesurande. L’intérêt de tels dispositifs par rapport à des capteurs « statiques » dont la grandeur de sortie est une amplitude est que la fréquence peut être directement injectée dans une chaine de commande numérique sans conversion analogique numérique. En effet, cette étape entraine nécessairement une perte de résolution et de rapidité ainsi qu’une complexité supplémentaire. Le facteur de qualité potentiellement important des MEMS est utile pour de tels capteurs car il entraine une meilleure stabilité fréquentielle, donc une résolution accrue.

Effet des dérives environnementales et mesure différentielle

Dans les deux applications (capteurs et base de temps) la technologie MEMS est limitée par sa sensibilité aux dérives environnementales, notamment la dérive en température. En effet, la raideur des résonateurs est systématiquement liée à la température, ce qui entraîne une modification de la fréquence propre. Plusieurs solutions ont été développées pour palier à cette dérive. L’une d’elle est de placer le résonateur dans une atmosphère dont la température est contrôlée par un micro four, grâce à un capteur de température. Outre le désavantage en termes de consommation et d’espace, cette solution est limitée par la précision du capteur de température. Pour les MEMS utilisés en tant que capteurs résonants, une autre solution est d’utiliser deux résonateurs identiques montés tel que le mesurande à un effet différent sur les deux (par exemple une accélération augmente la fréquence de l’un et diminue celle de l’autre), et tel que les dérives affectent identiquement les deux résonateurs. En concevant deux boucles oscillantes séparées, la différence des fréquences d’oscillation est théoriquement insensible aux dérives. Cette solution, outre sa redondance électronique (besoin de deux boucles oscillantes et d’un moyen de comparer des fréquences) est limitée par le fait que si les deux résonateurs sont placés proches l’un de l’autre, afin de rejeter correctement les dérives, ils sont nécessairement couplés par différents processus (couplage mécanique ou électrique à travers le substrat par exemple) ce qui peut donner lieu à un verrouillage en fréquence entre les deux résonateurs si leurs fréquences propres sont proches. Ce verrouillage annule le fonctionnement du dispositif, qui est basé sur la différence de fréquence.

Couplage actif ou passif de résonateurs

Dans le cas passif, un élément mécanique ou électrostatique est placé entre les deux résonateurs, ce qui permet un transfert d’énergie entre les deux résonateurs et donne lieu à l’apparition de deux modes de résonance. Plusieurs grandeurs de sortie sont possibles, comme l’écart de fréquence entre les deux modes, ou le rapport de leurs amplitudes. Ces grandeurs sont hautement lié au rapport des raideurs (et des masses) des deux résonateurs, mais ne sont pas affectées si ce rapport reste inchangé. L’avantage de cette technique est que la sensibilité de la différence de fréquence des deux modes peut être augmentée par rapport à la lecture de fréquence (qui est la sortie d’un capteur résonant « classique »). Le coefficient d’augmentation est lié au rapport entre la force de couplage et la force de rappel des résonateurs qui peut être arbitrairement choisi lors de la conception, donc potentiellement très élevé, même si la limite haute est le facteur de qualité des résonateurs. Cela veut dire que la sensibilité du dispositif à une variation de raideur, par exemple, est de l’ordre de Q fois plus importante que dans le cas d’un capteur résonant classique, tout en étant insensible aux variations affectant identiquement les deux résonateurs. L’inconvénient réside dans le caractère « boucle ouverte » du dispositif, c’est-à-dire qu’il faut effectuer un balayage en fréquence afin de localiser les deux modes, ce qui est potentiellement long. Certaines techniques en boucle fermée ont été suggérées, sans preuve expérimentale pour le moment.

Dans le cas du couplage actif, les deux résonateurs sont placés dans une seule boucle oscillante, à l’intérieur de laquelle leurs signaux d’excitation sont issus d’un mélange entre les deux signaux de sortie des résonateurs. Pour certaines conditions dans la composition du mélange, et si les fréquences propres des résonateurs sont suffisamment proches, les deux résonateurs se synchronisent et l’oscillation démarre. Ils oscillent à la même fréquence. La grandeur de sortie est la différence de phase entre les deux résonateurs : elle est liée au rapport entre les fréquences propres, mais ne varie pas si les deux fréquences propres varient simultanément. L’avantage de cette technique est son caractère intrinsèquement « boucle fermée » donc adaptée aux chaines de commandes numériques. L’augmentation de sensibilité entre la différence de phase et la fréquence est dans ce cas fixée par le mélangeur, et peut potentiellement dépasser le facteur de qualité des résonateurs. L’inconvénient est la réduction de la plage de verrouillage, qui est d’autant plus petite que la sensibilité est grande.

Cadre général de la thèse, présentation des objectifs et plan

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la méthode de synchronisation car c’est un sujet très nouveau et ayant des applications potentielles en tant que capteur de grande précision, travaillant en conditions difficiles. Le couplage se faisant électroniquement, cette technique est également compatible avec l’intégration à grande échelle car elle demande un ajout de complexité assez réduit comparé aux autres techniques de mesure différentielle. La synchronisation de résonateurs a été extensivement étudiée dans le cadre de résonateurs LC pour la génération d’horloges multiphases, mais c’est la première fois qu’elle est étudiée dans le cadre de capteurs MEMS résonants. Cette thèse a été précédée par des travaux théoriques sur la synchronisation pour la mesure, effectués au sein du laboratoire, ainsi qu’une première preuve expérimentale effectuée avec une électronique discrète. L’objectif est de réaliser un démonstrateur entièrement co-intégré (c’est-à dire que l’intégralité de ces composants sont fabriqués en une seule étape) afin de valider les prédictions théoriques et les simulations, ainsi que de prouver la faisabilité à grande échelle de ce genre d’architecture. La co-intégration du dispositif est également requise car la synchronisation ne s’effectue que si les résonateurs sont suffisamment identiques, et cette condition est aussi requise pour le rejet du mode commun. Or, étant donné la variabilité du processus de fabrication, ce besoin de similarité implique de fabriquer les deux résonateurs sur une seule puce, le plus proche possible. Si un désaccord subsiste, il peut être comblé en ajustant les fréquences propres grâce à leur tension de polarisation. Dans un premier temps, les résultats théoriques sont analysés afin d’en déduire un jeu de paramètres du mélangeur qui assure théoriquement un fonctionnement optimal du dispositif. Ensuite, la conception électronique de la puce est réalisée dans l’objectif de respecter ces paramètres. La technologie choisie est AMS 0.35 µm car elle est très bien maitrisée par l’équipe ECAS à l’UAB (Espagne) pour la fabrication de circuits CMOS-MEMS (c’est-à-dire co-intégrant sur une même puce les circuits électroniques et les MEMS), et que cette thèse est réalisée en collaboration avec ce groupe. Enfin, le circuit est fabriqué dans la fonderie AMS, puis caractérisée expérimentalement d’abord bloc par bloc en boucle ouverte afin de s’assurer de la correspondance entre les simulations bas-niveau et les mesures, puis en boucle fermée afin d’en estimer les performances expérimentales, et leurs correspondances avec la théorie.

Résonateurs CMOS-MEMS

Le déphasage dans les résonateurs CMOS-MEMS est fixé par l’amplificateur. Dans ce travail, un amplificateur conçu en 2013 par le groupe ECAS est réutilisé, car il fournit suffisamment de gain, et est déjà extensivement caractérisé en phase. A ce niveau, le déphasage que doit fournir le mélangeur, en plus de l’opération logique, est donc connu. Deux types de résonateurs sont fabriqués, tous deux basés sur la couche VIA 3 du processus de fabrication, donc en tungstène : des poutres encastré libre de 10 µm de long (pour 1.3 µm d’épaisseur et 0.5 µm de large) ainsi que des ponts encastré-encastré de 30 µm de long (même épaisseur et largeur), voir Figure 4. Les résonateurs sont modélisés par des circuits RLC donc les valeurs sont obtenus par l’application des équations de la mécanique classique des poutres. Ces modèles seront injectés dans le simulateur de Cadence pour représenter les résonateurs MEMS. Ils sont valides tant que les résonateurs fonctionnent en régime linéaire. Les limites de linéarité sont obtenues en estimant et simulant les non linéarités électrostatiques et de Duffing, puis en trouvant les valeurs de tension de polarisation et d’actionnement à partir desquelles ces nonlinéarités ont suffisamment d’effet pour générer des phénomènes comme la conversion amplitude-fréquence.

Le rapport de stage ou le pfe est un document d’analyse, de synthèse et d’évaluation de votre apprentissage, c’est pour cela rapport-gratuit.com propose le téléchargement des modèles complet de projet de fin d’étude, rapport de stage, mémoire, pfe, thèse, pour connaître la méthodologie à avoir et savoir comment construire les parties d’un projet de fin d’étude.

Table des matières

I)INTRODUCTION
II) GENERALITES
III) METHODOLOGIE
IV) RESULTATS
V) COMMENTAIRES ET DISCUSSION
VI) CONCLUSION  
VII) REFERENCES
ANNEXES
RESUME

Lire le rapport complet

Télécharger aussi :

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *