High Frequency BAW resonators in MEMS technology on Silicon Wafer
Résonateurs à haute fréquence à ondes de volume en réalisatin MEMS sur tranche silicium
Résumé
Nowadays, various competitions between manufacturers take place in the field of MEMS (Micro- Electro-Mechanical Systems), due to the quest for continuous performance improvement in terms of miniaturisation, integration, costs effectiveness etc. This thesis is a step towards the development of IC-compatible bulk acoustic MEMS resonators. The main goal consists in validating the principle of electrostatic actuation of the thickness‒extensional acoustic waves into mono-crystalline substrates and also to explore the energy-trapping possibility provided by this mode. A novel single-port silicon structure fixed on a glass support was studied and analytically modelled to be implemented into a micro-fabrication process. The original models elaborated for a structure vibrating in both thickness‒extensional and flexural modes allowed the estimation of the electrical equivalent circuit parameters and of the static and dynamic mechanical displacements. A two-dimensional theoretical approach based on the dispersion curves estimation of a silicon plate was presented and the means to localize the acoustic energy in the central region of the structure were evaluated. By using the available micro-manufacturing techniques at the MIMENTO facility of the FEMTO-ST Institute, several runs were performed on silicon wafers. The resonators fundamental vibration frequencies range around 10 MHz for the thickness-extensional mode and around 70 KHz for the flexural mode. The electrical and mechanical characterisation results are thoroughly presented. The devices operating in flexural modes were successfully embedded into a customized Wienbridge oscillator design. Finally a gravimetric sensor application was demonstrated.
Le domaine des résonateurs MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) est aujourd'hui le siège de diverses compétitions entre les producteurs afin d'améliorer les performances en terme de miniaturisation, intégrabilité, coûts de production etc. Ce travail de thèse s'inscrit dans un projet global de développement de résonateurs MEMS à ondes de volume compatibles avec la technologie des circuits intégrées. L'objectif est de valider le principe d'excitation des ondes acoustiques de volume en extension-compression par voie électrostatique dans des substrats monocristallins et aussi d'explorer les possibilités offertes par ces modes pour le confinement de l'énergie acoustique, technique plus largement exploitée dans le domaine des résonateurs à quartz que dans celui des MEMS. En ce sens, une nouvelle structure mono-port en silicium, fixée sur un support en verre, a été étudiée et modélisée analytiquement en vue de son implémentation dans une chaine de fabrication. Les modèles originaux développés dans ce cadre nous ont permis d'estimer les paramètres électriques du circuit équivalent, les déplacements mécaniques statique et dynamique propres au fonctionnement de la structure, autant en mode vibratoire d'extension-compression qu'en mode de flexion. Une étude théorique bidimensionnelle basée sur l'évaluation des courbes de dispersion d'une plaque en silicium a été menée afin d'évaluer les moyens de piégeage de l'énergie au centre de la structure fonctionnant en mode de volume. Tout en exploitant les microtechniques disponibles au sein de la Centrale MIMENTO de l'Institut FEMTO-ST, plusieurs séries de résonateurs ont été fabriquées sur substrat silicium pleine plaque. La fréquence fondamentale de vibration se situe aux alentours de 10 MHz pour le mode d'extension compression et de 70 kHz pour le mode de flexion. On détaille la caractérisation par voie mécanique et électrique. L'intégration des dispositifs fonctionnant en mode de flexion en boucle d'oscillation à l'aide d'un montage à base de point Wien est démontrée ainsi qu'une application de type capteur gravimétrique.
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