MEMS piézo-électriques pour applications temps-fréquence

Piezoelectric MEMS for time-frequency applications

• Auteur / Autrice : Paul Chapellier
• Direction : Bernard Dulmet, Pierre Lavenus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microtechniques
• Date : Soutenance le 09/12/2019
• 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) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Gaëlle Lissorgues
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Dulmet, Pierre Lavenus, Gaëlle Lissorgues, Matthieu Chatras, Didier Théron, Alain Bosseboeuf, Jean-Marc Lesage, Olivier Le Traon, François-Xavier Esnault, Nikolay Vorobyev
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthieu Chatras, Didier Théron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes microélectromécaniques

Oscillateurs à quartz

Mots clés libres

Quartz

Oscillateur

Résonateur MEMS

Gravure réactive ionique

Facteur de qualité

Quartz

Oscillator

MEMS resonator

Deep reactive ion-Etching

Quality factor

Résumé

Les oscillateurs hautes performances mettent en œuvre un résonateur mécanique présentant un facteur de qualité élevé et vibrant à une fréquence typique de 10 MHz. Le résonateur est généralement une pastille de quartz, réalisée par usinage individuel, d’environ 200 mm3, et placée dans une enceinte thermalisée. Dans le contexte de miniaturisation des composants électroniques, conséquence du développement des technologies embarquées, des objets connectés et des nouvelles normes de télécommunication, une réduction du volume du résonateur et l’utilisation de procédés de fabrication collectifs permettraient une réduction importante de l’encombrement, du coût et de la consommation de ces oscillateurs. Pour répondre aux besoins de ces technologies émergentes, un résonateur planaire en quartz à haut facteur de qualité et réalisable à large échelle a été développé. Au cours de cette thèse, nous avons mis au point un procédé de fabrication original utilisant la gravure réactive ionique profonde du quartz pour pallier l’impossibilité de graver le résonateur par l’usinage chimique standard par voie humide. L’optimisation d’une recette de gravure ionique adaptée à l’usinage de 100 µm de quartz, et ce, de manière anisotrope et présentant une faible rugosité ainsi que le développement du masque de gravure associé ont fait l’objet d’une attention particulière. La montée en maturité des moyens de fabrication a été validée par la réalisation de prototypes de résonateurs. Ces derniers ont présenté des facteurs de qualité à l’état de l’art des micro-résonateurs en quartz. Un premier prototype d’oscillateur intégrant un des résonateurs miniatures a également été caractérisé. Les performances mesurées et les pistes d’amélioration identifiées confirment la pertinence du résonateur développé pour des applications d’oscillateurs alliant hautes performances, faible consommation et encombrement réduit.

High-performance oscillators rely on a high quality factor resonator vibrating at 10 MHz. Such resonator is often a bulky quartz plate of about 200 mm3. It is individually manufactured and placed in an oven. In the context of electronic components miniaturization, as a consequence of the development of embedded technologies, connected objects and new telecommunication standards, a reduction in the volume of the resonator and the use of collective manufacturing processes would allow a significant reduction in the size, the cost and the consumption of these oscillators. To meet the needs of these emerging technologies, a high-quality, large-scale quartz planar resonator has been developed. In this thesis, we developed an original manufacturing process using quartz deep reactive-ion etching (DRIE) to overcome the impossibilityof etching the resonator by standard wet chemical etching. The optimization of an ionic etching recipe adapted to the etching of 100 microns of quartz, in an anisotropic manner and with a low roughness, as well as the development of the associated etching mask, required particular attention. The technological maturation of manufacturing processes has been validated by the production of prototype resonators. The latter presented quality factors in the state of the art of quartz micro-resonators. A first oscillator prototype incorporating one of the miniature resonators has also been characterized. The measured performances and the identified ways of improving confirm the relevance of the developed resonator for oscillator applications combining high performances, low power consumption and compact design.