“Bougez !”, exhorte la montre connectée à son porteur resté assis trop longtemps. “Ping !” sonne le téléphone portable dont l’écran affiche une notification. “Faites demi-tour au prochain feu”, lance le GPS au conducteur qui roule dans la mauvaise direction. Désormais, ces alertes sont familières et, compte tenu de la demande croissante de dispositifs sub-GHz, 5G et portables, elles devraient devenir encore plus fréquentes. Dans le même temps, on attend des entreprises qu’elles fournissent des fonctionnalités plus intégrées, des appareils à faible consommation et à faible coût, présentant de faibles facteurs de forme et des débits de données toujours plus élevés. La solution passe par de meilleurs filtres RF et donc de meilleurs résonateurs, mais l’histoire ne s’arrête pas là.
Tous les objets qui nous entourent ont besoin d’un filtre RF
Dans son intervention à l’occasion du COMSOL Day: Electronic Devices, Bichoy Bahr de Texas Instruments a évoqué la demande toujours croissante pour les technologies sub-gigahertz (sub-GHz), qui sont maintenant utilisées en masse dans de nombreux domaines, comme la domotique et l’automatisation industrielle, la surveillance des infrastructures, les accessoires portables, l’agriculture et la pêche intelligentes, etc. Les filtres RF, qui sont constitués d’un ou de plusieurs résonateurs, jouent un rôle essentiel dans le fonctionnement de ces appareils.
Un écran intelligent pour la domotique. Photo de James Yarema sur Unsplash.
Durant sa présentation, Bichoy Bahr a affirmé que cela “pousse à avoir de meilleurs résonateurs et de meilleurs filtres RF […] en général”. Il a poursuivi en expliquant que les résonateurs doivent désormais avoir un facteur de forme petit et compact, une bonne stabilité, un faible coût et une faible puissance. Toutefois, la création d’un résonateur répondant à toutes ces exigences de conception est un véritable challenge. “Les résonateurs MEMS constituent en fait une bonne solution pour relever ces défis”, a-t-il ajouté.
Les résonateurs MEMS présentent des avantages, mais ne sont pas exempts de défis
La très petite taille, le haut facteur de qualité (Q élevé) et le faible encombrement des résonateurs MEMS en font un excellent choix pour répondre à l’évolution rapide de l’industrie de l’automatisation. Ils peuvent également être intégrés dans des semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS), tout en conservant leur Q élevé. Parmi les autres avantages des résonateurs MEMS, citons aussi le fait qu’ils permettent d’adapter la fréquence et peuvent être utilisés pour créer de grands réseaux, ce qui peut être utile lors de la conception de filtres pour différents protocoles ou différentes normes de fréquence.
D’un autre côté, les résonateurs MEMS ont aussi leur lot d’inconvénients qui peuvent rendre leur fabrication et leur utilisation difficiles. Par exemple, beaucoup d’entre eux utilisent une structure de libération avec des trous, ce qui peut entraîner des problèmes de rendement. Ils peuvent également être sensibles au packaging et aux contraintes mécaniques, et présenter des problèmes de stabilité thermique. Enfin, l’intégration des résonateurs MEMS dans la technologie CMOS n’est pas évidente, un point sur lequel M. Bahr a insisté durant sa présentation.
L’intégration CMOS–MEMS
Plusieurs approches peuvent être utilisées pour intégrer les technologies CMOS et MEMS. La plus ancienne est l’approche dite MEMS first, selon laquelle les MEMS sont fabriqués avant la technologie CMOS sur un wafer. Cette approche peut être utilisée pour des dispositifs tels que les accéléromètres. Parmi les autres approches, citons CMOS–MEMS, MEMS last et MEMS in package (l’approche la plus courante aujourd’hui).
Rêve ou réalité?
Selon M. Bahr, l’approche rêvée pour intégrer ces deux technologies consisterait à créer des résonateurs MEMS encapsulés dans la puce CMOS elle-même. Avec cette approche, que M. Bahr appelle le MEMS–CMOS “front-end-of-line” (FEOL), les résonateurs seraient fabriqués comme n’importe quel autre transistor ou circuit et ne nécessiteraient pas d’étapes de transformation supplémentaires ni de conditionnement spécifique sous vide. Ces résonateurs seraient entièrement protégés, permettraient l’accès aux matériaux FEOL et seraient dépourvus de trous, de surfaces libres, de parasites et de fils de connexion.
Représentation d’un résonateur MEMS encapsulé dans une puce CMOS et de transistors classiques.
Fils de connexion sur une puce.
“C’est une vision très optimiste des MEMS que de pouvoir réaliser cela”, a déclaré M. Bahr. Cependant, le développement de résonateurs FEOL MEMS–CMOS serait un défi en raison du confinement acoustique, de la transduction et des contraintes liées au packaging. Pour étudier la structure complexe et les principes de fonctionnement de cette nouvelle classe de résonateurs, M. Bahr fait appel à la modélisation et la simulation multiphysiques dans ses recherches.
Une première idée prometteuse: concevoir un guide d’onde PnC
Bichoy Bahr a analysé un résonateur FEOL MEMS–CMOS qui incorpore un guide d’ondes à cristal phononique (PnC). Cette conception est à la fois périodique et capable de contrôler le flux de sonore ou de vibrations mécaniques. Selon M. Bahr, le logiciel COMSOL Multiphysics® a été essentiel pour comprendre le confinement vertical et horizontal du guide d’ondes PnC et a ainsi permis d’améliorer sa conception. M. Bahr a également expliqué comment leur design a ensuite été intégré à la technologie SOI 32 nm d’IBM.
Modèle de résonateur FEOL MEMS–CMOS en technologie SOI 32 nm d’IBM.
Micrographie obtenue par microscopie électronique à balayage (MEB) de la structure fabriquée non libérée.
En examinant les résultats de la caractérisation RF du design, M. Bahr a constaté qu’il fallait encore l’améliorer. “La mesure [de la réponse en fréquence] que nous avons obtenue avait un facteur de qualité Q très élevé, mais elle ne paraissait pas très satisfaisante. Elle était très bruyante et présentait de nombreux pics”, a précisé M. Bahr. En examinant les résultats plus en détail, il a confirmé que le principe du design était toujours bon, mais que sa transduction était très faible et qu’il ne pouvait pas être utilisé pour des applications pratiques. “Cela nous a incités à rechercher une alternative présentant une meilleure transduction.”
La réponse fréquentielle mesurée.
Le design final: les résonateurs ferroélectriques intégrés à la technologie CMOS
Au fil de leurs recherches, M. Bahr et son équipe ont trouvé un schéma comme celui ci-dessous, qui est parfois utilisé pour la technologie CMOS. Forts de ces nouvelles connaissances, ils ont tenté d’utiliser des matériaux ferroélectriques, qui sont également piézoélectriques, pour la transduction de leur résonateur.
Un schéma de la technique de transduction piézoélectrique.
Après avoir simulé et analysé cette nouvelle conception de résonateur, l’équipe a fabriqué le dispositif et l’a caractérisé. Le nouveau design a permis d’obtenir une fréquence de 701 MHz, un facteur de qualité de 781 et une forte résonance due à la transduction piézoélectrique. La transduction peut également être renforcée ou atténuée, voire complètement inhibée. Cela serait particulièrement utile pour les filtres et les résonateurs programmables ou réglables. À la fin de son exposé, M. Bahr a conclu que les ferroélectriques donnent des résultats prometteurs et pourraient être utilisés pour répondre aux normes actuelles très exigeantes de la technologie CMOS–MEMS.
Prochaine étape
Visionnez la vidéo pour en savoir plus sur les résonateurs CMOS–MEMS et sur la manière dont Texas Instruments utilise la simulation pour développer cette technologie.
Références
- B. Bahr, R. Marathe, et D. Weinstein, “Theory and Design of Phononic Crystals for Unreleased CMOS-MEMS Resonant Body Transistors,” Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 24, no. 5, pp. 1520–1533, 2015; https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/7096929
- Y. He et al., “A tunable ferroelectric based unreleased RF resonator,” Microsyst Nanoeng, vol. 6, p. 1–7, 2020; https://doi.org/10.1038/s41378-019-0110-1
- Y. He , B. Bahr, et D. Weinstein, “A Ferroelectric Capacitor (FeCAP) Based Unreleased Resonator,” Transducer Research Foundation, 2018; https://transducer-research-foundation.org/technical_digests/HiltonHead_2018/hh2018_0071.pdf
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