MEMS piézo-électriques pour applications temps-fréquence

par Paul Chapellier

Projet de thèse en Microtechniques

Sous la direction de Bernard Dulmet.

Thèses en préparation à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de SPIM - Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques , en partenariat avec FEMTO-ST Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (laboratoire) et de Département Temps Fréquence (equipe de recherche) depuis le 23-09-2016 .


  • Résumé

    Les oscillateurs haute performance ou oscillateurs ultra-stables (OUS) pour applications spatiales mettent en œuvre un résonateur mécanique présentant un facteur de qualité élevé et vibrant à une fréquence de l'ordre de 10 MHz ou plus. Le résonateur est généralement une pastille de quartz d'environ 200 mm3, réalisée par usinage individuel. Dans le contexte de miniaturisation des composants électroniques, il est clair qu'une réduction du volume du résonateur mécanique et l'utilisation de procédés de fabrication collectifs permettraient une réduction importante de l'encombrement, du coût et de la consommation de ces oscillateurs. La recherche proposée dans le cadre de cette thèse a pour objet d'approfondir ces études sur des résonateurs MEMS en matériaux piézo-électriques et d'explorer les différentes technologies MEMS envisageables pour la réalisation collective des résonateurs. Il s'agira aussi d'analyser dans le détail les avantages d'un résonateur MEMS piézoélectrique par rapport aux technologies existantes (couches minces piézo-électriques sur silicium, MEMS silicium à actionnement électrostatique, etc…). La thèse s'effectuera dans le laboratoire ""Capteurs et Microtechnologie" du département Mesures Physiques de l'ONERA en collaboration étroite avec l'Institut FEMTO-ST et s'articulera comme suit : • Etat de l'art des OUS et des bases de temps en technologie MEMS silicium et /ou piézoélectrique; • Etude de nouveaux concepts de résonateurs en matériaux piézo-électriques, incluant les moyens d'excitation et de détection des vibrations et la technologie de réalisation; • Conception d'un résonateur adapté aux applications temps fréquence en environnement spatial et développement de moyens de réalisation collectifs; • Choix et conception du circuit oscillateur ; • Réalisation d'oscillateurs et évaluation des performances de stabilité et de bruit. Ces différents éléments donneront lieu à un important travail de recherche analytique, numérique et expérimental, à travers notamment la réalisation de modélisations éléments finis multiphysiques des résonateurs, l'élaboration de modèles analytiques, la mise au point et la mise en oeuvre de procédés de fabrication micro-technologiques, des mesures sur des dispositifs prototypes.

  • Titre traduit

    Piezoelectric MEMS for time-frequency applications


  • Résumé

    Ultra-stable oscillators (OUS) for space applications use a mechanical resonator with a high quality and vibrating factor at a frequency of the order of 10 MHz or more. The resonator is generally a quartz pellet of approximately 200 mm 3, produced by individual machining. In the context of miniaturization of electronic components, it is clear that a reduction in the volume of the mechanical resonator and the use of collective manufacturing processes would make it possible to reduce considerably the size, the cost and the consumption of these oscillators. The research proposed in the framework of this thesis aims to study these MEMS resonators in piezoelectric materials and to explore the various MEMS technologies that can be envisaged for the collective realization of resonators. It will also analyze in detail the advantages of a piezoelectric MEMS resonator compared to existing technologies (piezoelectric thin films on silicon, MEMS silicon electrostatically actuated, etc.). The thesis will be carried out in the Sensors and Microtechnology laboratory of ONERA's Physical Measurement Department in close collaboration with the FEMTO-ST Institute and will be organized as follows: • State of the art of USS and time bases in silicon and / or piezoelectric MEMS technology; • Study of new resonator concepts in piezoelectric materials, including vibration excitation and detection means and realization technology; • Design of a resonator adapted to time-frequency applications in a spatial environment and development of collective means of production; • Choice and design of the oscillator circuit; • Production of oscillators and evaluation of stability and noise performance. These various elements will lead to an important work of analytical, numerical and experimental research, notably through the realization of finite element multiphysical modeling of the resonators, the development of analytical models, the development and implementation of manufacturing processes micro-technology, measurements on prototype devices.