Oscillateurs RF-MEMS à Résonateurs Micro-Acoustiques Intelligents à Excitation capacitive – ROSCAMAR

Le projet ROSCAMAR consiste à concevoir et réaliser des démonstrateurs d'oscillateurs RF-MEMS (Radio-Frequency Micro-Electro-Mechanical Systems) dans la plage de fréquence 100-160 MHz.

La première originalité du projet réside dans l'élaboration de résonateurs à ondes élastiques sur silicium à confinement d'énergie optimisant le coefficient de qualité par élimination des pertes dans les supports. Il s'agit d'atteindre les limites permises par le comportement visco-élastique du matériau pour garantir la meilleure pureté spectrale compatible avec la fabrication de résonateurs à l'aide de procédés massivement parallèles issus de la micro-électronique.

La seconde originalité du projet réside dans la réalisation de structures résonnantes à base d'assemblages de wafers de silicium intégrant des transistors MOS (Metal-Oxyde Semi-conductor) afin d'optimiser l'exploitation de la réponse électrique spécifique des résonateurs à excitation/détection électrostatique. Le projet s'appuie sur les acquis récents mais solides d'une recherche théorique et expérimentale effectuée sur des structures de résonateurs à ondes de volume et excitation électrostatique, concrétisée par la présentation d'une thèse en décembre 2012 et le dépôt du brevet FR 11 56250, étendu à l'international par le CNRS. Suite à l'obtention d'une bourse de thèse MESR débutée en décembre 2012, d'un projet R&T CNES en cours et d'un soutien postdoctoral par le LabEx FIRST-TF au deuxième semestre 2013, nous pouvons augmenter significativement l'ambition de la thématique des résonateurs et oscillateurs MEMS au sein du Département Temps-Fréquence de FEMTO-ST, avec la volonté de proposer une solution alternative à l'approche adoptée par les premières entreprises produisant des oscillateurs MEMS, fondée sur des structures plus conventionnelles vibrant en flexion dans leur propre plan, approche limitée en termes de performances intrinsèques et déjà passablement verrouillée au plan de la propriété industrielle.

Les démonstrateurs de résonateurs intelligents de ROSCAMAR se présentent sous deux architectures distinctes :

Un empilement de wafers silicium obtenus par collage or/or réalisant le gap d'air ou de vide utilisé pour générer la force électrostatique. Un wafer silicium est alors aminci pour atteindre la plage de fréquences visée en exploitant un mode d'extension d'épaisseur ou à ondes de plaque à énergie piégée.

Un empilement mixte d'un wafer de silicium sur un wafer "SOI" (Silicon-On-Insulator). En ce cas, l'épaisseur de la couche de silicium en contact avec le BOX (buried oxyde), d'un coté, et le second wafer collé à l'or de l'autre coté, est utilisée comme premier paramètre mécanique pilotant la propagation d'ondes élastiques guidées dans cette couche.

L'interconnexion des couches conductrices nécessaires à l'excitation électrostatique avec les composants actifs intégrés dans une des couches de silicium est réalisée à l'aide d'une technologie générique de TSV (Through Silicon Via), également utilisée pour la liaison électrique avec le circuit électronique d'entretien des oscillations, dont l'intégration n'est pas envisagée dans ce projet, pour des raisons de réalisme économique et technologique.

Par cette approche hybride intégrant des fonctionnalités actives simples avec l'implémentation d'un MAR (Micro Acoustic Resonator) à faibles pertes au sein d'une structure silicium à empilement de couches monocristallines, nous visons l'amélioration du compromis compacité / robustesse / stabilité à court terme / coût pour compenser les handicaps des résonateurs MEMS (stabilités thermique et structurelle, pertes acoustiques, couplage) par rapport aux résonateurs piézoélectriques.

Le projet ROSCAMAR a pour vocation de déboucher sur un projet ultérieur de type ASTRID-maturation destiné à démontrer la possibilité de fabriquer en moyenne série de telles structures résonnantes hybridées sur une ligne de production de composants passifs RF.