Nouveaux MEMS C-BAR : résonateurs capacitifs à ondes élastiques de volume piégées sur substrat Silicium.

New oscillators based on MEMS resonators full plate on insulating silicon substrate

• Auteur / Autrice : Nesrine Belkadi
• Direction : Bernard Dulmet, Thomas Baron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 16/12/2016
• Etablissement(s) : Besançon
• 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) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Jury : Président / Présidente : Didier Théron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Dulmet, Thomas Baron, Didier Théron, Matthieu Chatras, Sylvain Ballandras, Gilles Cibiel, Joël Imbaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Théron, Matthieu Chatras

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes élastiques

Oscillateurs

Mots clés libres

MEMS

Oscillateurs

Resonateurs capacitifs

Excitation électrostatique

Ondes élastiques de volume

Mode d'extension compréssion

Energie piégée

Structure mesa / mesa -inversée

Microfabrication salle blanche

MEMS

Ocillators

Capacitive resonators

Electriostatic transduction

Bulk acoustic waves

Thickness extensional modes

Accoustic energy-trapping

Inverted -mesastructures

Clean room microfabrication

Résumé

Ces travaux de thèse décrivent l’étude et la réalisation de résonateurs MEMS (Micro-ElectroMechanical Systems) acoustiques à couplage capacitif dits C-BAR (Capacitive Bulk Acoustic Resonator). Les C-BAR exploitent les modes d’extension-compression d’épaisseur en mode fondamental à 9, 45MHz. L’élément vibrant est constitué de Si-monocristallin purement résistif et d’orientation (100). Notre but consiste à transposer au monde des MEMS a` excitation capacitive les caractéristiques de stabilité des résonateurs piézoélectriques BAW utilisés dans les sources de fréquences embarquées. Notre stratégie de développement s’est fondée sur l’exploitation de deux concepts originaux dans les domaines respectifs électrique et acoustique : l’intérêt immédiat des résonateurs MEMS-Si capacitifs tient à la disponibilité du matériau, au faible coût unitaire, à la produire à grande échelle, ainsi qu’à la robustesse. A plus longue échéance, cet intérêt tient au potentiel d’intégration avec l’électronique de commande ; Cette recherche est motivée par la nécessité d’éliminer les pertes structurelles dans les résonateurs MEMS. Grâce à l’étude de la dispersion acoustique des ondes élastiques guidées dans une plaque de Si, nous avons pu contrôler les bandes d’arrêt par modification locale des caractéristiques de la propagation afin de confiner l’énergie acoustique au centre du résonateur. Une première partie de ces travaux est consacrée à la modélisation du C-BAR. Grâce à des simulations FEM appuyées sur des calculs analytiques, nous avons défini les limites imposées aux paramètres constructifs pour l’obtention de performances satisfaisantes pour les applications visées. Nous avons notamment quantifié le nécessaire compromis entre les quantités antagonistes constituées par le k2, limité par la rigidité statique de la plaque, et le Q, limité par les constantes de dispersion des modes exploités et le facteur d’aspect de la plaque. La deuxième partie est consacrée à la micro-fabrication du C-BAR exploitant les micro techniques disponibles au sein de la Centrale MIMENTO.

This PhD work describes the study and realization of capacitive Bulk Acoustic Waves MEMS resonators (C-BAR) exploiting the thicknessextensional vibration modes at 9, 45MHz of a mono-crystalline silicon plate (100). The aim of this research consists in translated to the domain of capacitive MEMS the good performances of BAW resonators for embedded frequency sources. The proposed work proposes new resonant structures bearing some originality from electric and acoustic viewpoints : capacitive full Si-MEMS have some immediate interest in the field of material availability, low cost per item, volume production and robustness, notwithstanding their know ability for electronic integration ; This research was motivated by the need to eliminate structural losses to reach the limits imposed by the material itself. With help of a study of dispersion curves, we managed a control of acoustic confinement by means of a local patterning of the surface of the vibrating element. By a proper mastering of the stop band of guided elastic waves in the structure, we can overcome the intrinsic limitations of structural MEMS. The first lock of this work is dedicated to the modeling of the C-BARs. It uses a combination of analytic and FEA calculations to frame the actual design of the resonators. This permits us to determine the limits imposed to the performances of such structures. This part especially points out the contradictory requirements of the C-BARs in terms of electromechanical coupling factor and of surtension coefficient. The second lock describes the issues of the micro-fabrication of the C-BARs at MIMENTO clean room facility.