Brevet FR2929774A1 — publié le 20091009

DISPOSITIF DE RESONANCE MICRO ELECTROMECANIQUE A STRUCTURE PERIODIQUE. La présente invention concerne le domaine des dispositifs de résonance micro électromécaniques, plus communément appelés MEMS pour Micro Electro Mechanical Systems en anglais. Un MEMS est dispositif dont les dimensions sont de l'ordre de l'échelle micrométrique, voire nanométrique. Il est muni d'une structure mécanique vibratile résonante, selon sa structure, à une fréquence propre particulière. Cette fréquence de résonance mécanique est utilisée par exemple pour la fabrication de composants électroniques, tels que des résonateurs, qui possèdent une résonance électrique égale à cette résonance mécanique. Les résonateurs sont utilisés dans des circuits électroniques résonants, appliqués par exemple à des opérations de filtrage de signal ou de générateur de fréquence (VCO pour � Voltage Control Oscillator �), par exemple pour la génération d'une porteuse en téléphonie. Pour obtenir des circuits électroniques résonants, on peut utiliser classiquement des circuits dits LC, couplant une inductance L et une capacité C. Mais de tels circuits ont comme inconvénient d'avoir des coefficients de qualité assez faibles et un bruit de phase important. Aussi les MEMS sont ils généralement préférés aux circuits LC car ils possèdent des facteurs de qualité importants. Par ailleurs, il existe des résonateurs à quartz. Ces résonateurs ont de très bons facteurs de qualité mais sont des composants discrets et posent de fait des problèmes de connectique et de coût pour leur utilisation avec un circuit électronique intégré. Avec l'utilisation de dispositifs résonants, le problème est d'obtenir une fréquence de résonance relativement monochromatique, et vis-à-vis du circuit électronique comprenant le dispositif résonant, de limiter la consommation dynamique, notamment par un facteur de qualité aussi élevé que possible. Aussi, plus précisément, la présente invention concerne un dispositif de résonance micro électromécanique comprenant : un substrat, une électrode d'entrée, reliée à une source de courant alternatif de fréquence d'entrée, une électrode de sortie, au moins une structure d'ancrage, liée au substrat, et une structure vibratile, reliée à une structure d'ancrage par au moins une jonction située sur un noeud de vibration de la structure vibratile, possédant une fréquence propre de résonance acoustique, et dont la vibration sous l'effet de l'électrode d'entrée lorsqu'elle est alimentée génère sur l'électrode de sortie un courant alternatif dont la fréquence de sortie est égale à la fréquence propre. Un tel dispositif est connu de l'homme du métier, notamment par l'exemple qu'en donne le document de l'état de la technique antérieure � Q-Optimized Lateral Free-Free Beam Micromechanical Resonators � W. -T. Hsu, J. R. Clark, and C. T. -C. Nguyen, Digest of Technical Papers, the 11th Int. Conf. on Solid-State Sensors & Actuators (Transducers'01), Munich, Germany, June 10-14, 2001, pp. 1110-1113. Un tel dispositif résonant utilise une structure vibratile en forme de poutre dont les extrémités sont libres, et vibrant selon un mode latéral. La poutre est reliée au substrat par un système à double symétrie dans lequel quatre bras de liaison identiques relient la poutre à quatre ancres fixées dans le substrat. Les bras de liaison sont susceptibles de vibrer, situés de part et d'autre de la poutre et y sont reliés à des noeuds de vibration de celle-ci. La longueur des bras de liaison est telle que les points de jonction entre la poutre et les bras de liaison se situent également à des noeuds de vibration des bras de liaison. Toutefois, une telle configuration présente tout de même des fuites donc une consommation dynamique, et nécessite une configuration géométrique très particulière. La présente invention a pour but de proposer une alternative à cette solution et propose à cet effet un dispositif basé sur le principe similaire à celui de la réflexion de Bragg. Avec cet objectif en vue, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme au préambule cité ci-avant, est essentiellement caractérisé en ce que la structure vibratile et/ou la structure d'ancrage comprennent une structure périodique, ladite structure périodique comprenant au moins des première et deuxième zones différentes l'une de l'autre, présentant respectivement des première et deuxième propriétés de propagation acoustique différentes. Grâce à cette configuration, le signal acoustique est confiné dans la structure vibratile et les pertes acoustiques limitées. En effet, le dispositif selon l'invention crée des bandes de fréquences � interdites � dans lesquelles le signal acoustique n'est pas transmis de la structure vibratile au substrat, ce qui limite les pertes acoustiques et par conséquent la consommation du circuit électronique comprenant le dispositif selon l'invention. De préférence le contraste acoustique entre les différentes zones de la structure périodique est maximal, c'est-à-dire que les propriétés de propagation acoustique sont aussi différentes que possible d'une zone à l'autre. Selon l'invention, la structure périodique est réalisée par gravure périodique de la structure vibratile, respectivement de la structure d'ancrage. A titre d'alternative, ou de combinaison, la structure périodique peut être réalisée par dépôt périodique de matériau sur la structure vibratile, respectivement sur la structure d'ancrage. Dans le cas de dépôt périodique, le matériau déposé peut être différent de celui constituant le dispositif vibratile, respectivement du matériau de la structure d'ancrage. De préférence, la structure périodique est située à proximité de la jonction entre la structure vibratile et la structure d'ancrage. Avantageusement, les caractéristiques dimensionnelles de la structure périodique sont déterminées en fonction de la fréquence propre de la structure vibratile. Dans le mode de réalisation préféré, la structure périodique est dimensionnée en À/4, où À est la longueur d'onde correspondant à la vitesse de propagation de l'onde acoustique dans la structure périodique pour la fréquence de résonance fp, comme décrit ultérieurement. Dans un mode de réalisation, la structure vibratile est une poutre susceptible de vibrer selon un mode latéral, vertical, en torsion ou en extension. Dans un mode de réalisation alternatif, la structure vibratile est un disque relié en son centre à la structure d'ancrage, la structure périodique étant concentrique avec le centre du disque. De préférence, la structure périodique est disposée perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde acoustique dans la structure vibratile, respectivement dans la structure d'ancrage. L'invention concerne également un circuit intégré comprenant le dispositif de résonance tel que décrit. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue de dessus d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 2a représente en coupe transversale d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 2b représente en coupe transversale d'un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, et - la figure 3 représente une vue par-dessus d'un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Un dispositif de résonance micro électromécanique MEMS comprend toujours une structure vibratile SV, reliée par une structure d'ancrage à un substrat SUB, et de préférence polarisée par une tension continue. Dans la quasi-totalité des modes de réalisation d'un MEMS, la structure vibratile est reliée à une structure d'ancrage par au moins une jonction située sur un noeud de vibration de la structure vibratile. A titre d'exemple, la structure vibratile peut être réalisée en polysilicium, ou avoir une structure monocristalline, par exemple par épitaxie Si sur SiGe. L'avantage d'une structure monocristalline étant d'avoir des pertes élastiques inférieures à celles d'une structure polycristalline. A titre d'alternative, la structure vibratile peut également être réalisée à partir d'un matériau amorphe, comme le nitrure de silicium SiXNy, recouvert d'un matériau conducteur électrique, comme un métal. Une structure d'ancrage comprend au moins une ancre ANC fixée dans le substrat et éventuellement un moyen de liaison ML (figure 3) pour relier l'ancre à la structure vibratile. Le moyen de liaison peut être réalisé dans un matériau différent du matériau utilisé pour la structure vibratile. De même, l'épaisseur de ce moyen de liaison peut être différente de celle de la structure vibratile. Dans certains modes de réalisation non représentés, la structure vibratile est reliée au substrat par une structure plus complexe comprenant par exemple d'autres structures vibratiles. Par souci de clarté de la présente description, seuls les modes de réalisation relativement simples, à une seule structure vibratile, sont décrits ci-après, de telles structures complexes restant dans le cadre de la présente invention. Une électrode d'entrée EE, reliée en fonctionnement à une source de courant alternatif de fréquence d'entrée fi, génère une force électrostatique qui fait vibrer la structure vibratile à une de ses fréquences propres fp. Cette vibration génère une modulation de la capacité entre la structure vibratile et une électrode de sortie ES, sur laquelle un courant de sortie de fréquence égale à la fréquence propre fp est créé. Selon l'invention, la structure vibratile et/ou la structure d'ancrage comprennent une structure périodique. Cette structure périodique comprend au moins une première zone M1 et une deuxième zone M2, différentes l'une de l'autre, et correspondant respectivement à des première et deuxième propriétés de propagation acoustique. Dans d'autres modes de réalisation, la structure périodique peut comprendre un nombre de zones supérieur ou égal à trois, mais par souci de clarté de la présente description, seul le mode de réalisation dans lequel la structure périodique comprend deux zones est décrit. La structure périodique peut constituer tout ou partie de la structure d'ancrage, c'est-à-dire qu'elle peut constituer tout ou partie du moyen de liaison entre l'ancre et la structure vibratile et/ou tout ou partie de l'ancre. De préférence, la structure périodique est configurée de sorte que l'incidence de l'onde acoustique sur celle-ci soit normale. Lorsqu'une onde acoustique se propage dans une structure périodique, de manière similaire aux ondes électromagnétiques dans les isolants ou les semi-conducteurs, la structure périodique, par sa périodicité, modifie les relations de dispersion de l'onde acoustique. L'effet d'une telle modification est que des bandes de fréquences peuvent devenir interdites, c'est-à-dire ne plus permettre à l'onde de se propager. Plus la structure périodique a de grands contrastes au niveau acoustique (impédance acoustique), plus les bandes interdites sont larges. Pour avoir une bande interdite absolue c'est à dire dans toutes directions, il faudrait avoir une périodicité tri-dimensionnelle et donc un milieu à trois dimensions. Dans la présente invention, la propagation se passe dans une couche, on peut donc réaliser une structure possédant une périodicité à deux dimensions qui interdise la propagation dans toutes les directions du plan de la couche. Selon l'invention, l'ajout d'une structure périodique permet d'augmenter l'impédance acoustique du substrat vue par le dispositif par la création de propriétés de propagation localement périodiques, c'est-à-dire d'un réflecteur similaire à un réflecteur de Bragg. La structure périodique permet de renvoyer l'onde acoustique dans la structure vibratile. Grâce à cet effet, le coefficient de qualité du résonateur correspondant au rapport entre l'énergie vibratoire stockée dans le résonateur et l'énergie dissipée (en particulier par rayonnement acoustique dans le substrat) durant un cycle - augmente. De préférence, la structure périodique est située à proximité de la jonction entre la structure vibratile et la structure d'ancrage. Les caractéristiques structurelles de la structure périodique sont déterminées en fonction de la fréquence propre fp de la structure vibratile et de préférence, la structure périodique est dimensionnée en À/4, où À est la longueur d'onde correspondant à la vitesse de propagation de l'onde acoustique dans la structure périodique pour la fréquence de résonance fp. Par exemple, on calcule la vitesse de propagation dans chacune des zones de la structure périodique, la fréquence de résonance étant connue, on en déduit les longueurs d'ondes À respectives. Dans un autre mode de réalisation, la structure périodique n'est pas dimensionnée en À/4, par exemple lorsque l'on doit filtrer plusieurs ondes de À différentes. Par exemple, pour certains réflecteurs de Bragg utilisés pour les BAW, on peut être amené à faire un compromis et il peut devenir intéressant d'utiliser des structures périodiques de dimensions irrégulières et différentes de À/4. Le nombre de périodes que la structure périodique comprend est par exemple déterminé par simulation informatique puis optimisé par tests in situ, et dépend également de l'espace disponible dans le circuit intégré comprenant le dispositif selon l'invention. Selon l'invention, le dispositif peut bien entendu comprendre plusieurs structures périodiques, en particulier, le dispositif comprend avantageusement une structure périodique par moyen de liaison. Dans un premier mode de réalisation, la structure périodique est réalisée par gravure périodique, par exemple sous forme de stries, sur au moins une surface de la structure considérée (vibratile et/ou d'ancrage), comme représenté sur la figure 2b et la figure 3. Sur la figure 2b, où les électrodes d'entrée et de sortie ne sont pas représentées, la structure périodique SP est réalisée par gravure périodique de la structure d'ancrage (l'ancre), selon des stries parallèles entre elles et perpendiculaires à l'axe longitudinal de la structure vibratile SV. Celle-ci vibre selon un mode vertical et chaque extrémité est directement reliée à une ancre ANC fixée au substrat SUB. La figure 3 est une variante du mode de réalisation de la figure 1, dans laquelle la structure périodique est réalisée sur les moyens de liaison. En l'espèce, chaque moyen de liaison entre une ancre ANC fixée au substrat SUB et la structure vibratile SV est muni d'une structure périodique SP. En fonctionnement, l'onde acoustique générée par la vibration latérale de la structure vibratile SV entre l'électrode d'entrée EE et l'électrode de sortie ES est réfléchie par chaque structure périodique. Dans un deuxième mode de réalisation, la structure périodique est réalisée par ajout de matière, c'est-à-dire par dépôt périodique de matériau, comme représenté sur la figure 2a. Sur la figure 2a, la structure périodique SP est réalisée par dépôt de matière sur la structure vibratile SV. Celle-ci vibre selon un mode vertical et chaque extrémité est directement reliée à une ancre ANC fixée au substrat SUB. Le matériau déposé peut être différent de celui constituant le dispositif vibratile, respectivement du matériau de la structure d'ancrage. Le dépôt de matière pour la réalisation de la structure périodique consiste par exemple en du nitrure de silicium, un oxyde de silicium, ou encore un métal tel que or, aluminium, tungstène, cuivre, molybdène. Avantageusement, le métal déposé possède une faible résistivité électrique. Le matériau de dépôt peut être déposé par exemple par procédé CVD. L'épaisseur d'une zone de la structure périodique peut être différente de celle de la structure vibratile et/ou de la structure d'ancrage et/ou de celle de l'autre (des autres) zone(s) de la structure périodique. Dans un troisième mode de réalisation, la structure périodique est réalisée par ajout de matière et gravure périodique. Dans une première configuration, la structure vibratile SV est une structure allongée de type poutre. Dans un premier mode de vibration, la poutre vibre sur un mode latéral, entre l'électrode d'entrée EE et l'électrode de sortie ES, comme représenté par une double flèche sur la figure 1. Dans ce mode de réalisation, dont la figure 1 est une représentation en vue de dessus, la poutre est reliée au substrat SUB en chacune de ses extrémités par une ancre ANC positionnée le long de l'axe longitudinal. Les structures périodiques SP relient chacune des ancres à chacune des extrémités de la poutre, chaque zone de la structure périodique étant perpendiculaire à l'axe longitudinal de la poutre. De préférence, chaque zone de chaque structure périodique possède un axe de symétrie confondu avec l'axe longitudinal, c'est-à-dire l'axe de symétrie, de la poutre. Cette disposition avantageuse permet de configurer le dispositif de sorte que l'incidence de l'onde acoustique soit parallèle par rapport à la direction de périodicité de la structure. La structure périodique comprend une première zone M1 et une deuxième zone M2. Avantageusement, la longueur P2 de l'une des zones est au moins égale à la largeur de la poutre. Grâce à cette configuration, le front d'onde de l'onde acoustique se propageant dans la structure vibratile (ou dans la structure d'ancrage) est perpendiculaire à la direction de périodicité de la structure périodique et est réfléchi en phase ou en opposition de phase, en fonction de la nature de la structure périodique. Dans d'autres modes de réalisation non représentés, la première zone M1 peut être une partie de la poutre elle-même et/ou de la structure d'ancrage. Les largeurs L1 et L2 respectives des zones M1 et M2 sont dimensionnées de préférence en À/4, les longueurs P1 et P2 respectives des zones M1 et M2 permettant de fixer les impédances acoustiques. Avantageusement, la structure périodique est réalisée dans le même matériau que celui de la structure vibratile, ce qui simplifie les techniques de fabrication. L'épaisseur de chacune de zones de la structure périodique peut être différente de celle de la structure vibratile. De préférence, les épaisseurs sont égales. La réalisation de tout ou partie du dispositif selon l'invention peut être effectuée par les techniques classiques de masquage. La figure 3 représente, toujours dans un mode de vibration latéral, un mode de réalisation alternatif de la structure d'ancrage et du positionnement de la structure périodique. A cet effet, la structure d'ancrage comprend quatre ancres ANC fixées dans le substrat SUB deux à deux de part et d'autre de deux noeuds de vibration de la poutre SV. Quatre moyens de liaison ML relient chacun une ancre à un noeud de vibration de la poutre. Les électrodes sont situées également de part et d'autre de la poutre entre les noeuds de vibration. Dans un deuxième mode de vibration, la poutre vibre sur un mode vertical. La poutre peut par exemple être reliée au substrat par un point d'attache, ou deux points d'attache, comme représenté sur les figures 2a et 2b, dans lesquelles les électrodes d'entrée et de sortie ne sont pas représentées. Dans un troisième mode de vibration, non représenté, la poutre vibre en torsion autour de son axe longitudinal. Dans un quatrième mode de vibration, non représenté, la poutre vibre en compression/extension, par exemple le long de son axe longitudinal. Dans une deuxième configuration, non représentée, la structure vibratile est une structure de type disque vibrant selon un mode radial, c'est-à-dire que la propagation de l'onde acoustique se fait en cercles concentriques. Dans ce mode de réalisation, la structure périodique est concentrique avec le disque et possède avantageusement une symétrie de révolution. De préférence dans cette configuration, le disque est relié au substrat par une tige passant par le centre du disque. La structure périodique est alors avantageusement située à proximité du centre du disque. Les électrodes sont disposées symétriquement par rapport à un diamètre du disque. La structure d'ancrage comprend une ancre fixée dans le substrat et un moyen de liaison tel qu'une tige reliant l'ancre au centre du disque. Le dispositif selon l'invention peut être mis en oeuvre quelle que soit la configuration, en poutre, en disque ou autre, et quel que soit le mode de vibration, latéral, vertical ou autre. Du fait de l'amortissement visqueux de la vibration dans l'air, on peut prévoir une encapsulation sous vide du dispositif selon l'invention. Le dispositif selon l'invention est avantageusement utilisé pour la fabrication de composants électroniques possédant une résonance électrique de même fréquence propre fp. REVENDICATIONS1. Dispositif de résonance micro électromécanique (MEMS) comprenant : un substrat, une électrode d'entrée (EE), reliée à une source de courant alternatif de fréquence d'entrée (fi), une électrode de sortie (ES), au moins une structure d'ancrage, liée au substrat, et une structure vibratile, reliée à la structure d'ancrage par au moins une jonction située sur un noeud de vibration de la structure vibratile, possédant une fréquence propre (fp) de résonance acoustique, et dont la vibration sous l'effet de l'électrode d'entrée (EE) lorsqu'elle est alimentée génère sur l'électrode de sortie (ES) un courant alternatif dont la fréquence de sortie est égale à la fréquence propre (fp), caractérisé en ce que la structure vibratile et/ou la structure d'ancrage comprennent une structure périodique, ladite structure périodique comprenant au moins des première (Ml) et deuxième (M2) zones différentes l'une de l'autre, présentant respectivement des première et deuxième propriétés de propagation acoustique différentes. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la structure périodique est réalisée par gravure périodique de la structure vibratile, respectivement de la structure d'ancrage. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la structure périodique est réalisée par dépôt périodique de matériau sur la structure vibratile, respectivement sur la structure d'ancrage. 25 30 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le matériau déposé est différent de celui constituant le dispositif vibratile, respectivement du matériau de la structure d'ancrage. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la structure périodique est située à proximité de la jonction entre la structure vibratile et la structure d'ancrage. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les caractéristiques dimensionnelles de la structure périodique sont déterminées en fonction de la fréquence propre (fp) de la structure vibratile. 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel la structure périodique est dimensionnée en À/4, où À est la longueur d'onde correspondant à la vitesse de propagation de l'onde acoustique dans la structure périodique pour la fréquence de résonance fp. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la structure vibratile est soit une poutre susceptible de vibrer selon un mode latéral, vertical, en torsion ou en extension, soit un disque relié en son centre à la structure d'ancrage, la structure périodique étant concentrique avec le centre du disque. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la direction de périodicité de la structure périodique est disposée parallèlement à ladirection de propagation de l'onde acoustique dans la structure vibratile, respectivement dans la structure d'ancrage. 10. Circuit intégré comprenant le dispositif de résonance (MEMS) selon l'une quelconque des revendications précédentes.