Contribution à la mesure du bruit propre de résonateurs MEMS

Contribution to the inherent noise measurement of MEMS resonators

• Auteur / Autrice : Etienne Vaillant
• Direction : Fabrice Sthal, Joël Imbaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 11/12/2018
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Enrico Rubiola
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Sthal, Joël Imbaud, Enrico Rubiola, Olivier Llopis, Michel Prigent, Thierry Potier, François-Xavier Esnault
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Llopis, Michel Prigent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesure

Bruit de phase

Systèmes microélectromécaniques

Mots clés libres

Résonateur

Mems

Bruit de phase

Diviseur régénératif

Suppression de porteuse

Métrologie

Resonator

Mems

Phase Noise

Regenerative divider

Carrier suppression

Metrology

Résumé

Dans ce manuscrit sont présentées des mesures de bruit de phase réalisées sur des résonateurs MEMS à ondes de surface (SAW), à mode de contour (CMR) et à harmoniques élevés (HBAR). Ces mesures s’inscrivent dans la cadre d’une action de recherche menée par le CNES (Centre National d’Etudes Spatiales) visant à mieux comprendre l’origine du bruit de phase dans les dispositifs résonants, notamment le bruit en 1/f.Les bases concernant la métrologie du bruit de phase sont rappelées et la mise en œuvre de deux bancs de mesure interférométrique est détaillée. Ces bancs permettent une caractérisation de résonateurs à des fréquences allant de 5 MHz à 5 GHz. Le choix de la technique interférométrique, dite aussi à suppression de porteuse, vient du fait qu’un tel système présente un plancher de bruit inférieur au dispositif de mesure classique à mélangeur saturé. En effet l’atténuation de la porteuse permet de limiter le bruit flicker des certains composants, comme les amplificateurs ou mélangeur. Afin de s’affranchir du bruit de la source il est préférable de réaliser les mesures de bruit avec une paire de résonateurs identique, ce qui n’est pas toujours possible. C’est pourquoi une source à très faible bruit de phase est requise dans certains cas. Dans ce manuscrit est donc développée la réalisation de diviseurs régénératifs de fréquence permettant de diviser la fréquence du signal d’un oscillateur saphir cryogénique (CSO). Des résultats à 20 MHz sont présentés pour un diviseur par deux, enfin un prototype de diviseur à double boucle ayant un ratio de division de 2,5 est proposé.

This manuscript presents phase noise measurements of Surface Acoustic Wave MEMS resonators (SAW), contour mode resonators (CMR) and high overtone bulk acoustic wave resonators (HBAR). These measurements take part in a research project conducted by CNES (Centre National d’Etudes Spatiales, the french space agency) to better understand the origin of phase noise in resonant devices, including 1/f noise.The basics concerning the metrology of phase noise are recalled and the implementation of two interferometric measurement systems is detailed. These systems make it possible to characterize some resonators of frequencies spanning 5 MHz to 5 GHz. The choice of the interferometric technique, also called carrier suppression, has been done because it shows a noise floor lower than a conventional measuring system using a saturated mixer. The attenuation of the carrier makes it possible to attenuate the noise of some components, such as the amplifier or the mixer. In order to overcome the noise coming from the driving source, it is preferable to carry out noise measurements with a pair of identical resonators, which is not always possible. This is why a very low noise source is required in some cases. This manuscript describes the realization of regenerative frequency dividers for dividing the signal frequency of a cryogenic sapphire oscillator (CSO). Results of such dividers by two at 20 MHz are given and finally a prototype of a double loop regenerative divider with a division ratio of 2.5 is proposed.