EP4078808A1 - Dispositif d'horloge - Google Patents
Dispositif d'horlogeInfo
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- EP4078808A1 EP4078808A1 EP20821204.3A EP20821204A EP4078808A1 EP 4078808 A1 EP4078808 A1 EP 4078808A1 EP 20821204 A EP20821204 A EP 20821204A EP 4078808 A1 EP4078808 A1 EP 4078808A1
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Definitions
- the present description relates generally to electronic devices, and, more particularly, clock signal generator devices, or clock devices.
- a clock device is an electronic device generally making it possible to produce a periodic signal of constant frequency, called a clock signal.
- this clock signal is used as a synchronization signal.
- advantage is taken of this clock signal to select transmission channels at precise frequencies.
- One embodiment overcomes all or part of the drawbacks of known clock devices.
- One embodiment provides for a clock signal generator device comprising: a micro-electromechanical resonant element; and at least one nano electromechanical transducer element.
- the resonant element of planar shape, is parallel to a surface of a substrate.
- the resonant element has breathing vibration modes parallel to the surface of the substrate.
- the resonant element is linked to the substrate by the transduction element.
- the resonant element is linked to the substrate by at least one beam, the beam being held, at each end, by anchors located on the surface of the substrate.
- the ends of the transduction element are respectively linked to the substrate and to the beam, the transduction element being perpendicular to the beam.
- the resonant element is further linked to the substrate by a pillar located, preferably, directly above the center of gravity of the resonant element.
- the resonant element has, seen from above, a polygonal shape, preferably a parallelogram shape, even more preferably a square shape.
- the resonant element has a natural frequency of between 1 MHz and 100 MHz, preferably between 10 MHz and 100 MHz, more preferably equal to approximately 20 MHz.
- the resonant element is, seen from above, square in shape and has: a side between 2 ⁇ m and 1 mm, preferably equal to approximately 200 ⁇ m; and a thickness between 200 nm and 500 ⁇ m, preferably equal to about 10 ⁇ m.
- each transduction element forms a rectangular parallelepiped having: a length between 500 nm and 100 ⁇ m, preferably equal to approximately 5 ⁇ m; and a width of between 50 nm and 50 ⁇ m, preferably equal to about 250 nm; and a height between 50 nm and 50 ⁇ m, preferably equal to approximately 250 nm.
- each transduction element is a piezoresistive strain gauge.
- One embodiment provides for an electronic circuit comprising at least one device as described.
- One embodiment provides a method of manufacturing a device as described, comprising a step consisting in: producing the micro-electromechanical resonant element from a first layer; and making the nano-electromechanical transducer element from a second layer, the second layer having a thickness at least ten times less, preferably about forty times less, than the thickness of the first layer.
- FIG. 1 represents, schematically and in the form of blocks, an example of an electronic circuit of the type to which apply, by way of example, the embodiments described;
- FIG. 2 is a top view, schematic and partial, of an example of a clock device
- Figure 3 is a top view, schematic and partial, illustrating an example of operation of the clock device of Figure 2;
- FIG. 4 is a top view, schematic and partial, of another example of a clock device
- FIG. 5 is a top view, schematic and partial, of an embodiment of a clock device
- Figure 6 is a sectional view, schematic and partial, of the clock device of Figure 5;
- FIG. 7 is a top view, schematic and partial, of another embodiment of a clock device.
- Figure 8 is a top view, schematic and partial, of yet another embodiment of a clock device
- Figure 9 is a top view, schematic and partial, of yet another embodiment of a clock device.
- FIG. 10 is a top view, schematic and partial, symbolizing a mode of vibration of a resonant element
- Figure 11 is a top view, schematic and partial, symbolizing another mode of vibration of the resonant element of Figure 10;
- FIG. 12 is a top view, schematic and partial, symbolizing a mode of vibration of another resonant element
- FIG. 13 is a top view, schematic and partial, symbolizing a mode of vibration of yet another resonant element.
- FIG. 14 is a top view, schematic and partial, symbolizing a mode of vibration of yet another resonant element.
- FIG. 1 schematically shows in the form of blocks an example of an electronic circuit 102 of the type to which the described embodiments apply, by way of example.
- the electronic circuit 102 illustrated in FIG. 1 comprises: a calculation entity 104 (UC), for example a state machine, a microprocessor, a programmable logic circuit, etc. ; a memory 106 (MEM), for example a memory made up of one or more volatile and / or non-volatile storage areas making it possible to store program code instructions, variables, constants, etc.
- UC calculation entity
- MEM memory 106
- a clock device 108 linked or connected to the calculation entity 104 and to the memory 106; one or more bus 110 for data, addresses and / or commands between different elements internal to circuit 102; and an input-output interface 112 (I / O) for communication with the outside of the circuit 102.
- the electronic circuit 102 can further include various other circuits depending on the application. These circuits are, in FIG. 1, symbolized by a single functional block 114 (FCT).
- FCT single functional block 114
- the clock device 108 of circuit 102 is typically used to produce a clock signal, or synchronization signal, for example a periodic signal of constant frequency.
- This clock signal generated by the device 108, makes it possible for example to clock data exchanges between the calculation entity 104 and the memory 106.
- the signal transmitted by the clock device 108 can in particular be used by the. computation entity 104 in order to perform operations consisting in writing, reading or erasing data in the memory 106.
- FIG. 2 is a top view, schematic and partial, of an example of a clock device 202.
- the clock device 202 comprises a plate 204, or plate, of square shape.
- Each corner, in other words each angle, of the plate 204 ends with a beam 206 arranged perpendicular to the diagonal of the square passing through this corner.
- the ends of each beam 206 are respectively held integral with a substrate 208 by anchors 210.
- the plate 204 and the beams 206 are, for example, made from the same layer. In this case, the plate 204 and the beams 206 jointly form a single mechanical part, generally called “seismic mass”.
- a hatched area 208 symbolizes a surface portion of the substrate.
- the plate 204 is located on the substrate 208, parallel to the surface of the substrate 208.
- the plate 204 is held, for example, a few micrometers or a few millimeters above the surface of the substrate 208. , so that the plate 204 overhangs the surface of the substrate 208 without touching it.
- the plate 204 and the beams 206 each have a micrometric thickness, for example equal to approximately 50 ⁇ m.
- the clock device 202 is then referred to as a microelectromechanical system (MEMS).
- MEMS microelectromechanical system
- the plate 204 and the beams 206 form, due to their micrometric thicknesses, a flexible structure capable of deforming under the effect of external stresses.
- Figure 3 is a top view, schematic and partial, illustrating an example of operation of the clock device 202 of Figure 2.
- two electrodes 302 are arranged on either side of the plate 204, parallel to two opposite sides of the plate 204.
- the electrodes 302 are subjected to an excitation signal, or signal d 'actuation, symbolized, in FIG. 3, by arrows 304.
- This excitation signal 304 is, for example, a sinusoidal alternating electric voltage.
- Each electrode 302 then produces a variable electrostatic field, causing the plate 204 to vibrate.
- the plate 204 is then said to constitute a resonant element, or resonator, of the clock device 202.
- areas of the plate 204 extend and retract in turn, periodically, for example mainly in a plane parallel to the surface of the substrate 208, while that the thickness of the plate 204 remains substantially constant.
- the plate 204 is then said to vibrate in “breathing mode”.
- the plate 204 vibrates for example more precisely in a volume breathing mode.
- the electrostatic field imposes for example on the plate 204 movements of constriction and expansion, for example oscillatory, in the three dimensions of space. These movements have, for example, a greater amplitude in the two dimensions parallel to the surface of the substrate 208 than in the dimension orthogonal to the surface of the substrate 208.
- two other electrodes 306 are arranged on either side of the plate 204, parallel to the two other opposite sides of the plate 204.
- Each electrode 306 forms, with the plate 204, a capacitor, one armature of which is formed by the considered electrode 306, and the other armature of which is formed by the plate 204.
- the electrodes 306, assumed to be fixed with respect to the substrate 208, are then referred to as capacitive detection electrodes.
- This causes a periodic variation of the capacitance of the capacitors formed by the electrodes 306 and by the plate 204, thus allowing the device 202 to produce a clock signal .
- the detection of this periodic variation in capacitance is symbolized, in FIG. 3, by arrows 308.
- the electrodes 302 are separated from the plate 204 by an average distance typically between 1 ⁇ m and 10 ⁇ m. This allows the excitation electrodes 302 to generate their electrostatic field as close as possible to the plate 204, without interfering with its vibratory movements. A maximum amplitude of vibration is thus obtained.
- the electrodes 306 are separated from the plate 204 by a distance average typically less than 1 ⁇ m. This allows the electrodes 306 to detect the greatest possible variation in capacitance.
- the production of the electrodes 306 close to the plate 204 requires, in practice, high resolution photolithography techniques, which are often complex and expensive to implement.
- clock jitter One of the parameters defining the performance of the clock device 202 is called "clock jitter". Assuming that the clock device 202 outputs a frequency clock signal, denoted f0, substantially constant, the clock jitter corresponds to the frequency noise, denoted ⁇ 5f / f0>, for a given measurement period . The clock jitter therefore sets a minimum resolution in frequency, or in time, that the clock device 202 is able to achieve.
- the clock jitter of the device 202 generally depends on two types of preponderant factors: so-called “deterministic” factors, for example frequency drifts caused by temperature variations; and so-called “non-deterministic” factors, for example due to ambient noise.
- phase noise denoted L (f)
- L represents a Laplace transformation
- f represents a frequency
- a low phase noise L (f) makes it possible to lower the frequency noise ⁇ 5f / f0>, therefore to obtain a clock device 202 of better quality.
- the phase noise L (f) is inversely proportional to the signal-to-noise ratio (SNR) of the clock signal produced by the device 202.
- SNR signal-to-noise ratio
- This signal-to-noise ratio is difficult to determine. foresee, because it depends in particular on the mechanical properties of the resonator 204 and on the electrical performance of a servo loop (not shown in FIG. 3) of the clock device 202.
- SNR signal-to-noise ratio
- the level of the output signal of the resonator 204 depends mainly on two parameters: the quality factor, denoted Q, of the resonator 204, defined by a width at half the height of the response in frequency of resonator 204, this width at half height being linked to energy dissipation; and the transduction efficiency of the clock device
- the resonant frequency is typically located around ten megahertz.
- a drawback of the clock device 202 is that the structure jointly formed by the plate 204 and the beams 206 generally produces low amplitude vibrations, even when this structure is excited in the vicinity of its resonant frequency. This complicates the detection, by the electrodes 306, of the movements of the plate 204, thus reducing the level of the clock signal at the output of the device 202.
- Another drawback of the clock device 202 is that the anchors 210 tend to stiffen the structure jointly formed by the plate 204 and the beams 206. This causes mechanical losses, thus negatively impacting the quality factor Q of the clock device 202.
- FIG. 4 is a top view, schematic and partial, of another example of a clock device 402.
- the clock device 402 of FIG. 4 comprises elements in common with the clock device 202 of Figure 3. These common elements will not be detailed again below. For the sake of clarity, the substrate 208 has not been shown in Figure 4.
- the clock device 402 of Figure 4 differs from the clock device 202 of Figure 3 mainly in that, in the case of the clock device 402, the detection of the vibrations of the plate 204 is performed not thanks to the electrodes 306, but by piezoresistive anchors 404 arranged at the four corners of the plate 204.
- the capacitive detection electrodes 306 are omitted, which makes it possible for example to place an electrode 302 d excitation parallel to each side of the square formed by the plate 204.
- a non-hatched zone 204L symbolizes a region of the plate 204 subjected to low amplitude vibrations
- hatched zones 204H symbolize regions of the plate 204 subjected to vibrations of high amplitude, that is to say of greater amplitude than that of the zone 204L
- another hatched zone 204M symbolizes a region of the plate 204 subjected to vibrations of average amplitude, that is to say of an amplitude between those of the zones 204L and 204H.
- the zones 204L, 204M and 204H illustrate a mode of vibration of the plate 204.
- the piezoresistive anchors 404 of the clock device 402 are linked to the hatched zones 204H, otherwise said where the vibrations of plate 204 are most intense.
- a read circuit 406 connected to one of the anchors 404 of the device 402 makes it possible to extract, from the vibrations of the plate 204, the clock signal.
- the read circuit 406 comprises: a resistor 406R connected between the anchor 404 and a node of application of a potential denoted Vd; and a capacitor 406C, connected between the anchor 404 and another node, through which a current denoted Iout flows.
- the anchor 404 diagonally opposite the anchor 404 to which the read circuit 406 is connected is brought to a reference potential, here ground.
- the clock device 402 is generally more efficient at high frequency and easier to manufacture than the clock device 202.
- a drawback of the clock device 402 is that the anchors 404 provide both mechanical strength and transduction functions, which tends to hinder the vibratory movements of the plate 204. We then speak of a feedback phenomenon, because the piezoresistive anchors 404 disturb the vibrations of the plate 204 which they are. themselves supposed to detect.
- FIG. 5 is a top view, schematic and partial, of an embodiment of a clock device 502.
- the clock device 502 comprises a resonant element 504 planar and having, seen from above in Figure 5, a preferably square shape.
- Each corner, in other words each angle, of the resonant element 504 ends with a beam 506 disposed perpendicular to the diagonal of the square passing through this corner.
- the ends of each beam 506 are respectively linked to a substrate 508 by anchors 510 perpendicular to the axis of the beams 506.
- the resonant element 504 and the beams 506 are, for example, made from the same layer. In this case, the resonant element 504 and the beams 506 jointly form a single mechanical part.
- a hatched area 508 symbolizes a surface portion of the substrate 508.
- the resonant element 504 is located on the substrate 508, parallel to the surface of the substrate 508.
- the element resonant 504 is maintained, for example, a few micrometers or a few millimeters above the surface of the substrate 508, so that the resonant element 504 overhangs the surface of the substrate 508 without touching it.
- the resonant element 504 and the beams 506 have a thickness between 200 nm and 500 ⁇ m, preferably equal to approximately 10 ⁇ m.
- the resonant element square in shape, has a side between 2 ⁇ m and 1 mm, preferably equal to about 200 ⁇ m.
- the beams 506 have, viewed from above in FIG. 5, a width of between 1 ⁇ m and 5 ⁇ m, preferably equal to approximately
- the resonant element 504 and the beams 506 of the clock device 502 jointly form a microelectromechanical system, or MEMS.
- the resonant element 504 is qualified as a micro-electromechanical resonant element.
- the resonant element 504 and the beams 506 have the same thickness.
- the beams 506 have a thickness less than that of the resonant element 504.
- a transduction element 512 preferably a piezoresistive transduction element, is linked to each beam 506. As illustrated in FIG. 5, the transduction elements 512 are arranged perpendicular to the beams 506, in the extension of the diagonals of the square formed by the resonant element 504. Each transduction element is, moreover, linked to the substrate 508 by an anchoring 514. In the remainder of the description, the piezoresistive transduction elements 512 are also called piezoresistive gauges or strain gauges.
- the transduction elements 512 each form a rectangular parallelepiped having a length between 500 nm and 100 ⁇ m, preferably equal to approximately 5 ⁇ m, a width between 50 nm and 50 ⁇ m, of preferably equal to approximately 250 nm, and a height, or thickness, between 50 nm and 50 ⁇ m, preferably equal to approximately 250 nm.
- length of the transducing element 512 is meant the dimension of the element 512 between the anchor 514 and the beam 506 and by height or thickness of the transducing element 512 means the dimension of the element 512 perpendicular to the surface of the substrate 508.
- the transduction elements 512 preferably have identical dimensions, except for manufacturing dispersions. Because of their nanometric widths and heights, the transduction elements 512 of the clock device 502 are referred to as nanoelectromechanical systems (NEMS), or nanoelectromechanical transduction elements.
- NEMS nanoelectromechanical systems
- the resonant element 504 is made to vibrate in a plane parallel to the surface of the substrate 508, in other words in "breathing mode" as explained above.
- the vibration of the resonant element 504 is obtained by virtue of an electrical excitation signal (in current or in voltage). This signal is modulated so as to excite the resonant element 504 at a frequency approximately equal to its resonant frequency.
- the resonant element 504 has for example a natural frequency of between 1 MHz and 100 MHz, preferably between 10 MHz and 100 MHz, more preferably equal to approximately 20 MHz.
- the device 502 is more particularly a device for generating clock signals in volume breathing mode.
- the application of the excitation signal causes, for example, deformations of the resonant element 504, for example oscillatory constriction and expansion movements, in all directions of space.
- the transduction elements 512 are placed so as not to interfere with the breathing mode of the device 502.
- the elements of transduction 512 have dimensions that do not affect the dynamics of the device 502.
- the transduction elements 512 of the device 502 are such that the resonant frequency of the device 502 is substantially identical to within 5%, preferably within 1%, to the resonant frequency that the device would exhibit. device 502 devoid of transducing elements 512. Stated otherwise, the presence of transducing elements 512 results in a modification of the resonant frequency of device 502 of less than 5%, preferably less than 1%, compared to a case where the elements transduction 512 would be omitted.
- the vibration is caused by the application of a variable electrostatic field radiated by one or more electrodes positioned near the resonant element 504.
- the vibration is produced. by a layer of piezoelectric material located under the resonant element 504.
- the resonant element 504 is made of a piezoelectric material capable of expanding and retracting with variations in a control signal.
- the beams 506 are made of a piezoelectric material, so that a potential applied to the beams 506 produces a stress on the beams 506 and on the resonant element 504.
- the beams 506 are made of an electrically conductive material which expands when the temperature increases, the beams 506 being arranged so as to apply a stress on the resonant element 504. An electric current passing through the beams 506 will then have tendency to cause a rise in temperature, therefore an expansion, of the beams 506. On the contrary, an absence of electric current passing through the beams 506 will then have tendency to cause a drop in temperature, therefore compression, of the beams 506.
- An advantage of the clock device 502 lies in the fact that the piezoresistive gauges 512 make it possible to achieve high transduction performance, notably superior to the performance of the capacitive and piezoresistive transduction systems respectively presented in relation to FIGS. 3 and 4
- the clock device 502 is furthermore easier to manufacture than the capacitive sensing devices which, like the device 202 of FIG. 3, have electrodes 306 very close to the plate 204.
- Another advantage of the device 502 lies in the fact that the piezoresistive gauges NEMS 512 have dimensions significantly smaller than those of the MEMS structure jointly formed by the resonant element 504 and by the beams 506. This makes it possible in particular to make so that the NEMS piezoresistive gauges 512 have a negligible influence on the vibrations of the resonant element 504, that is to say that the gauges 512 do not induce a feedback phenomenon.
- the mechanical maintenance, or anchoring, and transduction functions are in fact decoupled, unlike, for example, in the case of the clock device 402 of FIG. 4.
- the association of a resonant element 504 of MEMS type and transduction elements 512 of NEMS type allows the clock device 502 to achieve better performance both in terms of transduction. and in terms of quality factor Q.
- a better quality clock signal is obtained than the clock signal capable of being produced, for example, by the clock devices 202 ( Figures 2 and 3) and 402 ( Figure 4).
- FIG. 5 shows a clock device 502 comprising a MEMS resonant element 504 of square shape, linked to the substrate 508 by four NEMS piezoresistive gauges 512.
- the clock device 502 comprises a MEMS resonant element 504 of any shape, in particular a polygonal shape, preferably a parallelogram shape.
- the clock device 502 may include any number of NEMS piezoresistive gauges 512, these gauges 512 preferably being positioned so as to detect a maximum vibration amplitude of the MEMS resonant element 504.
- Figure 6 is a sectional view along the plane AA, schematic and partial, of the clock device 502 of Figure 5.
- the piezoresistive gauge 512 is interposed between on the one hand a structure (MEMS) jointly formed by the resonant element 504 and the beam 506, and on the other hand the anchor 514.
- the piezoresistive gauge NEMS 512 has a thickness, denoted T_NEMS, at least ten times less, preferably about forty times less, than the thickness, denoted T_MEMS, of the MEMS structure and of the anchor 514
- T_NEMS a thickness, denoted T_NEMS, at least ten times less, preferably about forty times less, than the thickness, denoted T_MEMS, of the MEMS structure and of the anchor 514
- the NEMS 512 piezoresistive gauge thus detects with great sensitivity the vibratory movements of the MEMS structure and does not disturb, or disturb little, these vibratory movements.
- FIG. 7 is a top view, schematic and partial, of another embodiment of a clock device 702.
- the clock device 702 of FIG. 7 comprises elements common to the device 502 of FIG. 5. These common elements will not be detailed again below.
- Device 702 of Figure 7 differs from device 502 of Figure 5 mainly in that device 702 has, at each corner of resonant element 504, two piezoresistive gauges 512a and 512b.
- the piezoresistive gauges 512a and 512b are eccentric with respect to the beam 506. This makes it possible to further reduce the influence of the piezoresistive gauges 512a and 512b on the vibratory movements of the resonant element 504 and to avoid or limit the appearance of common modes.
- the piezoresistive gauges 512a and 512b are respectively located face to face, on either side of the beam 506.
- Each piezoresistive gauge 512a, 512b is arranged perpendicular to the longitudinal direction of the beam 506 and is linked to the substrate 508 (not shown in Figure 7) by an anchor 514a, 514b.
- the beam 506 is always assumed to be linked to the substrate 508, that is to say kept integral with the substrate 508, by the anchors 510 located at each of its ends.
- this causes compression of the piezoresistive gauge 512a and an extension of the piezoresistive gauge 512b.
- the resonant element 504 retracts downward (arrow 702B)
- this causes an extension of the piezoresistive gauge 512a and a compression of the piezoresistive gauge 512b.
- differential measurement the piezoresistive gauges 512a and 512b are subjected to stresses of substantially equal amplitude and of opposite sign.
- a voltage source 704a applies, on the anchor 514a, a direct electric potential, of positive value denoted + Vb.
- a voltage source 704b applies, to the anchor 514b, a direct electric potential, of negative value denoted -Vb.
- a resistor 706 is connected between one of the anchors 510 of the beam 506 (the anchor 510 closest to the piezoresistive gauges 512a and 512b, in FIG. 7) and the ground.
- the value of the resistance RL is assumed to be much greater, for example a thousand times greater, than the resistance of the piezoresistive gauges 512a and 512b, denoted RG.
- Vb a voltage of equal amplitude
- Vout a variable potential denoted Vout, of approximately zero average value, for example between -0.1 V and +0.1 V, preferably zero, and of which l
- the amplitude is proportional to the amplitude of vibration of the resonant element 504.
- the voltage Vb is an alternating electric voltage of frequency denoted fb, the frequency fb being close to the vibration frequency fO of the resonant element 504.
- the output voltage Vout has a frequency component equal to fO - fb. This advantageously makes it possible to use read circuits operating at low frequency.
- the MEMS resonant element 504 consists of silicon.
- the NEMS piezoresistive gauges 512a and 512b of the clock device 702 are preferably made of the same material as the MEMS resonant element 504.
- the NEMS piezoresistive gauges 512a and 512b are made of a piezoresistive material other than that. of which the MEMS 504 resonant element is made.
- FIG. 8 is a top view, schematic and partial, of yet another embodiment of a clock device 802.
- the clock device 802 of FIG. 8 comprises elements common to the device 502 of FIG. 5. These common elements will not be detailed again below.
- Device 802 of Figure 8 differs from device 502 of Figure 5 primarily in that, in device 802, beams 506 are omitted.
- Each corner of the resonant element 504 of the clock device 802 is thus linked to the substrate 508 (not shown in FIG. 8) by a piezoresistive gauge 512 of resistance RG.
- each piezoresistive gauge 512 of the device 802 is kept integral with the substrate 508 by an anchor 514.
- the resonant element 504 is linked to the substrate 508 by a central pillar (not shown in FIG. 8).
- a central pillar (not shown in FIG. 8).
- the gauges 512 do not participate, or participate little, in the mechanical anchoring function.
- a voltage source 804 (V) imposes a positive voltage on one of the anchors 514, denoted + Vb.
- Another anchor 514 of device 802 is connected to ground via a resistor 806 of value RL.
- An output voltage Vout is measured across resistor 806.
- the two gauges 512 respectively connected to the voltage source 804 and to the resistor 806 are then said to be connected in the "half Wheatstone bridge" configuration, the resistor 806 here acting as the second resistor of the bridge.
- the output voltage Vout of the Wheatstone half-bridge will have an oscillating component of amplitude proportional to the mechanical vibration of the resonant element 504.
- the voltage Vb can be a direct voltage or an alternating voltage.
- the transduction of the vibratory movement of the resonant element 504 of the clock device 802 is effected by virtue of the piezoresistive gauges 512. Under the action of the vibrations of the resonant element 504, all the piezoresistive gauges 512 alternately undergo substantially identical tensile and compressive stresses. These constraints cause periodic variations in resistance RG of the piezoresistive gauges 512, which make it possible to produce a clock signal.
- the piezoresistive gauges 512 of the clock device 802 fulfill both a transduction function and a mechanical holding function. However, unlike the clock device 402 of FIG. 4, here it is ensured that all of the piezoresistive gauges 512 have negligible compressive stiffness, that is to say at least ten times lower than the stiffness of the piezoresistive gauge. mode of vibration of the resonant element 504. This eliminates the feedback problems previously described in relation to FIG. 4.
- the resonant element 504 has for example a mode of vibration at a frequency fO equal to approximately 20 MHz, with a stiffness equal to approximately 3.6.10 7 N.nr 1 .
- the four piezoresistive gauges 512 together have a compression stiffness, for example equal to approximately 5.10 3 N.nr 1 , in other words a rigidity several thousand times lower than that of the mode of vibration of the resonant element 504. More generally, the rigidity of the resonant element 504 is at least a thousand times greater than that of a piezoresistive gauge 512.
- FIG. 9 is a top view, schematic and partial, of yet another embodiment of a clock device 902.
- the clock device 902 of FIG. 9 comprises elements common to the device 802 of FIG. 8. These common elements will not be detailed again below.
- Device 902 of Figure 9 differs from device 802 of Figure 8 primarily in that device 902 is bonded to substrate 508 by only two diagonally opposed piezoresistive gauges 512.
- the resonant element 504 is further linked to the substrate 508 by a pillar 904 shown, in FIG. 9, by a dotted circle.
- the pillar 904 is preferably a cylindrical central pillar, located directly above the center of gravity of the resonant element 504.
- the pillar 904 is advantageously linked to a zone where the resonant element 504 undergoes minimal deformation in the mode of vibration considered. This makes it possible in particular to ensure that the pillar 904 has a negligible impact on the mode of vibration of the resonant element 504, in other words that the pillar 904 practically does not hamper the vibratory movements of the resonant element 504. This is limited. thus the losses due to the connection of the resonant element 504 to the substrate 508, while improving the mechanical strength of the clock device 902.
- FIG. 9 shows a clock device 902 comprising a MEMS resonant element 504 of square shape, linked to the substrate 508 by two NEMS piezoresistive gauges 512.
- the clock device 902 comprises a MEMS resonant element. 504 of any shape, in particular a polygonal shape, preferably a parallelogram shape.
- the clock device 902 may include any number of NEMS piezoresistive gauges 512, these gauges 512 preferably being positioned so as to detect a maximum vibration amplitude of the MEMS resonant element 504.
- the clock devices 502, 702, 802 and 902 respectively described in relation to FIGS. 5, 7, 8 and 9 are preferably produced by implementing a method such as that described in the patent application No. W02011048132, which is incorporated by reference to the extent permitted by law.
- An embodiment of this method comprises in particular a step where the resonant element 504 and the beams 506 are preferably obtained from a first layer of micrometric thickness while the piezoresistive gauges 512 are obtained from '' a second layer of nanometric thickness, that is to say at least ten times thick lower, preferably about forty times lower, than that of the first layer.
- a clock device 108 similar to the clock devices 502, 702, 802 and 902 advantageously makes it possible to produce a high quality clock signal at a frequency for example equal to approximately 20 MHz.
- FIGS. 10 to 14 illustrate, in top view, embodiments of resonant elements 504 of various shapes and symbolize associated modes of vibration.
- Figures 10 to 14 include an orthonormal coordinate system (O, c, g, z) whose z axis is perpendicular to the surface of the substrate 508 (not shown), Figures 10 to 14 all showing views located in a plane ( 0, x, y) perpendicular to the z axis.
- the resonant element extends and retracts in the plane (0, x, y) parallel to the substrate 508 (not shown).
- the resonant element 504 does not undergo any transformation along the z axis, or a transformation along the z axis of negligible amplitude with respect to the transformations undergone along the x and y axes.
- FIG. 10 is a top view, schematic and partial, symbolizing a mode of vibration 504_M1 of a resonant element 504 of square shape, for example the resonant element 504 of the clock device 902 of FIG. 9.
- the resonant element 504 is assumed to be linked to the substrate 508 (not shown) by the pillar 904.
- the resonant element 504 extends along the x and y axes, then retracts along the x and y axes.
- FIG. 11 is a top view, schematic and partial, symbolizing another mode of vibration 504_M2 of the resonant element 504 of FIG. 10.
- the resonant element 504 extends along the x axis while it retracts along the y axis, then retracts along the x axis while ' it extends along the y axis.
- the nano-electromechanical transduction element (s) 512 is advantageously placed where the amplitude of the vibration is maximum. for a given vibration mode.
- the mode of vibration 504_M1 symbolized in FIG. 10 it is for example advantageous to place a transduction element 512 at each corner of the resonant element 504, in the extension of the diagonals of the square formed by the element 504.
- the mode of vibration 504_M2 symbolized in FIG. 11 it will for example be better to provide transduction elements 512 perpendicular to the sides parallel to the y axis of the square formed by the element 504.
- FIG. 12 is a top view, schematic and partial, symbolizing the mode of vibration 504_M1 in an embodiment where the resonant element 504 is of circular shape.
- FIG. 13 is a top view, schematic and partial, symbolizing the mode of vibration 504_M1 in an embodiment where the resonant element 504 is in the form of a crown.
- the pillar 904 connecting the resonant element 504 to the substrate 508 (not shown) is in the form of a hollow cylinder.
- the outer diameter of the ring formed by the upper surface of the resonant element 504 increases and then decreases.
- FIG. 14 is a top view, schematic and partial, symbolizing the mode of vibration 504_M1 in an embodiment where the resonant element 504 is rectangular in shape.
- the pillar 904 connecting the resonant element 504 to the substrate 508 (not shown) is omitted.
- the resonant element 504 is linked to the substrate 508 by an anchor 514 located at one of the ends, or one of the short sides, of the element 504.
- the resonant element 504 extends and then retracts mainly in its longitudinal direction y ⁇
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Abstract
La présente description concerne un dispositif (902) générateur de signaux d'horloge comportant : un élément résonnant micro-électromécanique (504); et au moins un élément de transduction nano-électromécanique (512).
Description
DESCRIPTION
Dispositif d'horloge
La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français 19/14510 qui sera considérée comme faisant partie intégrante de la présente description.
Domaine technique
[0001] La présente description concerne de façon générale les dispositifs électroniques, et, plus particulièrement, les dispositifs générateurs de signaux d'horloge, ou dispositifs d'horloge .
Technique antérieure
[0002] Un dispositif d'horloge est un dispositif électronique permettant généralement de produire un signal périodique de fréquence constante, appelé signal d'horloge. Dans certaines applications, ce signal d'horloge est utilisé comme signal de synchronisation. Dans d'autres applications, par exemple dans le domaine des télécommunications, on tire profit de ce signal d'horloge pour sélectionner des canaux de transmission à des fréquences précises.
[0003] Les dispositifs d'horloge actuels, notamment à base de quartz, sont généralement bien adaptés à la génération de signaux d'horloge de fréquence inférieure au mégahertz. Ces dispositifs sont en revanche peu performants dans des plages de fréquences supérieures au mégahertz, par exemple de l'ordre de la dizaine de mégahertz, voire de la centaine de mégahertz.
Résumé de l'invention
[0004] Il existe un besoin d'améliorer les dispositifs d'horloge actuels.
[0005] Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des dispositifs d'horloge connus.
[0006] Un mode de réalisation prévoit un dispositif générateur de signaux d'horloge comportant : un élément résonnant micro-électromécanique ; et au moins un élément de transduction nano électromécanique .
[0007] Selon un mode de réalisation, l'élément résonnant, de forme plane, est parallèle à une surface d'un substrat.
[0008] Selon un mode de réalisation, l'élément résonnant possède des modes de vibration en respiration parallèlement à la surface du substrat.
[0009] Selon un mode de réalisation, l'élément résonnant est lié au substrat par l'élément de transduction.
[0010] Selon un mode de réalisation, l'élément résonnant est lié au substrat par au moins une poutre, la poutre étant maintenue, à chaque extrémité, par des ancrages situés en surface du substrat.
[0011] Selon un mode de réalisation, les extrémités de l'élément de transduction sont respectivement liées au substrat et à la poutre, l'élément de transduction étant perpendiculaire à la poutre.
[0012] Selon un mode de réalisation, l'élément résonnant est en outre lié au substrat par un pilier situé, de préférence, à l'aplomb du centre de gravité de l'élément résonnant.
[0013] Selon un mode de réalisation, l'élément résonnant possède, vu de dessus, une forme polygonale, de préférence une forme de parallélogramme, encore plus préférentiellement une forme carrée.
[0014] Selon un mode de réalisation, l'élément résonnant possède une fréquence propre comprise entre 1 MHz et 100 MHz, de préférence comprise entre 10 MHz et 100 MHz, plus préférentiellement égale à environ 20 MHz.
[0015] Selon un mode de réalisation, l'élément résonnant est, vu de dessus, de forme carrée et possède : un côté compris entre 2 pm et 1 mm, de préférence égal à environ 200 pm ; et une épaisseur comprise entre 200 nm et 500 pm, de préférence égale à environ 10 pm.
[0016] Selon un mode de réalisation, chaque élément de transduction forme un parallélépipède rectangle possédant : une longueur comprise entre 500 nm et 100 pm, de préférence égale à environ 5 pm ; et une largeur comprise entre 50 nm et 50 pm, de préférence égale à environ 250 nm ; et une hauteur comprise entre 50 nm et 50 pm, de préférence égale à environ 250 nm.
[0017] Selon un mode de réalisation, chaque élément de transduction est une jauge de contrainte piézorésistive.
[0018] Un mode de réalisation prévoit un circuit électronique comprenant au moins un dispositif tel que décrit.
[0019] Un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d'un dispositif tel que décrit, comprenant une étape consistant à : réaliser l'élément résonnant micro-électromécanique à partir d'une première couche ; et réaliser l'élément de transduction nano électromécanique à partir d'une deuxième couche, la deuxième couche possédant une épaisseur au moins dix fois inférieure, de préférence environ quarante fois inférieure, à l'épaisseur de la première couche.
Brève description des dessins
[0020] Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes
de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
[0021] la figure 1 représente, de façon schématique et sous forme de blocs, un exemple de circuit électronique du type auquel s'appliquent, à titre d'exemple, les modes de réalisation décrits ;
[0022] la figure 2 est une vue de dessus, schématique et partielle, d'un exemple de dispositif d'horloge ;
[0023] la figure 3 est une vue de dessus, schématique et partielle, illustrant un exemple de fonctionnement du dispositif d'horloge de la figure 2 ;
[0024] la figure 4 est une vue de dessus, schématique et partielle, d'un autre exemple de dispositif d'horloge ;
[0025] la figure 5 est une vue de dessus, schématique et partielle, d'un mode de réalisation d'un dispositif d'horloge ;
[0026] la figure 6 est une vue en coupe, schématique et partielle, du dispositif d'horloge de la figure 5 ;
[0027] la figure 7 est une vue de dessus, schématique et partielle, d'un autre mode de réalisation d'un dispositif d'horloge ;
[0028] la figure 8 est une vue de dessus, schématique et partielle, d'encore un autre mode de réalisation d'un dispositif d'horloge ;
[0029] la figure 9 est une vue de dessus, schématique et partielle, d'encore un autre mode de réalisation d'un dispositif d'horloge ;
[0030] la figure 10 est une vue de dessus, schématique et partielle, symbolisant un mode de vibration d'un élément résonnant ;
[0031] la figure 11 est une vue de dessus, schématique et partielle, symbolisant un autre mode de vibration de l'élément résonnant de la figure 10 ;
[0032] la figure 12 est une vue de dessus, schématique et partielle, symbolisant un mode de vibration d'un autre élément résonnant ;
[0033] la figure 13 est une vue de dessus, schématique et partielle, symbolisant un mode de vibration d'encore un autre élément résonnant ; et
[0034] la figure 14 est une vue de dessus, schématique et partielle, symbolisant un mode de vibration d'encore un autre élément résonnant.
Description des modes de réalisation
[0035] De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.
[0036] Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, l'utilisation qui est faite des signaux générés par les dispositifs d'horloge décrits n'est pas détaillée.
[0037] Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés (en anglais "coupled") entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.
[0038] Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence, sauf précision contraire, à l'orientation des figures.
[0039] Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
[0040] La figure 1 représente, de façon schématique et sous forme de blocs, un exemple de circuit électronique 102 du type auquel s'appliquent, à titre d'exemple, les modes de réalisation décrits. Le circuit électronique 102 illustré en figure 1 comporte : une entité de calcul 104 (UC), par exemple une machine d'états, un microprocesseur, un circuit en logique programmable, etc. ; une mémoire 106 (MEM), par exemple une mémoire constituée d'une ou plusieurs zones de stockage volatil et/ou non volatil permettant de stocker des instructions de code de programme, des variables, des constantes, etc. ; un dispositif d'horloge 108 (CLK) relié ou connecté à l'entité de calcul 104 et à la mémoire 106 ; un ou plusieurs bus 110 de données, d'adresses et/ou de commandes entre différents éléments internes au circuit 102 ; et une interface d'entrée-sortie 112 (I/O) de communication avec l'extérieur du circuit 102.
[0041] Comme cela est représenté en figure 1, le circuit électronique 102 peut en outre inclure divers autres circuits
en fonction de l'application. Ces circuits sont, en figure 1, symbolisés par un unique bloc fonctionnel 114 (FCT).
[0042] Le dispositif d'horloge 108 du circuit 102 est typiquement utilisé pour produire un signal d'horloge, ou signal de synchronisation, par exemple un signal périodique de fréquence constante. Ce signal d'horloge, généré par le dispositif 108, permet par exemple de cadencer des échanges de données entre l'entité de calcul 104 et la mémoire 106. Le signal transmis par le dispositif d'horloge 108 peut notamment être utilisé par l'entité de calcul 104 afin d'exécuter des opérations consistant à écrire, lire ou effacer des données dans la mémoire 106.
[0043] La figure 2 est une vue de dessus, schématique et partielle, d'un exemple de dispositif d'horloge 202.
[0044] Dans l'exemple de la figure 2, le dispositif d'horloge 202 comporte une plaque 204, ou plaquette, de forme carrée. Chaque coin, autrement dit chaque angle, de la plaque 204 se termine par une poutre 206 disposée perpendiculairement à la diagonale du carré passant par ce coin. Les extrémités de chaque poutre 206 sont respectivement maintenues solidaires d'un substrat 208 par des ancrages 210. La plaque 204 et les poutres 206 sont, par exemple, réalisées à partir d'une même couche. Dans ce cas, la plaque 204 et les poutres 206 forment conjointement une même pièce mécanique, généralement appelée « masse sismique ».
[0045] En figure 2, une zone hachurée 208 symbolise une portion de surface du substrat. Vue de dessus en figure 2, la plaque 204 est située sur le substrat 208, parallèlement à la surface du substrat 208. La plaque 204 est maintenue, par exemple, à quelques micromètres ou à quelques millimètres au- dessus de la surface du substrat 208, de sorte que la plaque 204 surplombe la surface du substrat 208 sans la toucher.
[0046] Dans l'exemple du dispositif d'horloge 202, la plaque 204 et les poutres 206 ont chacune une épaisseur micrométrique, par exemple égale à environ 50 pm. Le dispositif d'horloge 202 est alors qualifié de microsystème électromécanique (en anglais microelectromechanical System - MEMS). La plaque 204 et les poutres 206 forment, du fait de leurs épaisseurs micrométriques, une structure flexible, capable de se déformer sous l'effet de contraintes extérieures.
[0047] La figure 3 est une vue de dessus, schématique et partielle, illustrant un exemple de fonctionnement du dispositif d'horloge 202 de la figure 2.
[0048] Dans cet exemple de fonctionnement, deux électrodes 302 sont disposées de part et d'autre de la plaque 204, parallèlement à deux côtés opposés de la plaque 204. Les électrodes 302 sont soumises à un signal d'excitation, ou signal d'actionnement, symbolisé, en figure 3, par des flèches 304. Ce signal d'excitation 304 est, par exemple, une tension électrique alternative sinusoïdale. Chaque électrode 302 produit alors un champ électrostatique variable, faisant vibrer la plaque 204. On dit alors que la plaque 204 constitue un élément résonnant, ou résonateur, du dispositif d'horloge 202.
[0049] Sous l'effet du champ électrostatique variable créé par les électrodes 302, des zones de la plaque 204 s'étendent et se rétractent tour à tour, périodiquement, par exemple principalement dans un plan parallèle à la surface du substrat 208, tandis que l'épaisseur de la plaque 204 reste sensiblement constante. On dit alors que la plaque 204 vibre en « mode de respiration » (en anglais breathing mode). La plaque 204 vibre par exemple plus précisément dans un mode de respiration en volume. Dans ce cas, le champ électrostatique impose par exemple à la plaque 204 des mouvements de constriction et de dilatation, par exemple oscillatoires,
dans les trois dimensions de l'espace. Ces mouvements présentent par exemple une plus grande amplitude dans les deux dimensions parallèles à la surface du substrat 208 que dans la dimension orthogonale à la surface du substrat 208.
[0050] Dans l'exemple de la figure 3, deux autres électrodes 306 sont disposées de part et d'autre de la plaque 204, parallèlement aux deux autres côtés opposés de la plaque 204. Chaque électrode 306 forme, avec la plaque 204, un condensateur dont une armature est constituée par l'électrode 306 considérée, et dont l'autre armature est constituée par la plaque 204. Les électrodes 306, supposées fixes par rapport au substrat 208, sont alors qualifiées d'électrodes de détection capacitive.
[0051] La distance séparant la plaque 204 de chaque électrode 306, autrement dit la distance séparant les deux armatures de chaque condensateur conjointement formé par une électrode 306 et par la plaque 204, varie périodiquement, au rythme des mouvements d'extension et de rétractation imposés à la plaque 204 par le signal d'excitation 304 appliqué sur les électrodes 302. Cela entraîne une variation périodique de capacité des condensateurs formés par les électrodes 306 et par la plaque 204, permettant ainsi au dispositif 202 de produire un signal d'horloge. La détection de cette variation périodique de capacité est symbolisée, en figure 3, par des flèches 308.
[0052] Dans l'exemple du dispositif 202, les électrodes 302 sont séparées de la plaque 204 par une distance moyenne typiquement comprise entre 1 pm et 10 pm. Cela permet aux électrodes 302 d'excitation de générer leur champ électrostatique au plus près de la plaque 204, sans interférer avec ses mouvements vibratoires. On obtient ainsi une amplitude de vibration maximale.
[0053] Toujours dans l'exemple du dispositif 202, les électrodes 306 sont séparées de la plaque 204 par une distance
moyenne typiquement inférieure à 1 pm. Cela permet aux électrodes 306 de détecter une variation de capacité la plus importante possible. Toutefois, la réalisation des électrodes 306 à proximité de la plaque 204 requiert, en pratique, des techniques de photolithographie de haute résolution, qui sont souvent complexes et coûteuses à mettre en œuvre.
[0054] Un des paramètres définissant la performance du dispositif d'horloge 202 est appelé « gigue d'horloge » (en anglais clock jitter) . En supposant que le dispositif d'horloge 202 produise en sortie un signal d'horloge de fréquence, notée fO, sensiblement constante, la gigue d'horloge correspond au bruit en fréquence, noté <5f/f0>, pendant une durée de mesure donnée. La gigue d'horloge fixe donc une résolution minimale en fréquence, ou en temps, que le dispositif d'horloge 202 est capable d'atteindre.
[0055] La gigue d'horloge du dispositif 202 dépend généralement de deux types de facteurs prépondérants : des facteurs dits « déterministes », par exemple des dérives en fréquence causées par des variations de température ; et des facteurs dits « non déterministes », par exemple dus à un bruit ambiant.
[0056] On cherche donc à réduire au maximum l'influence de ces deux types de facteurs, afin d'obtenir un dispositif d'horloge 202 le plus précis et le plus stable en fréquence possible .
[0057] Les facteurs non déterministes se mesurent typiquement en termes de bruit de phase, noté L(f), où L représente une transformation de Laplace et où f représente une fréquence. Un faible bruit de phase L(f) permet d'abaisser le bruit en fréquence <5f/f0>, donc d'obtenir un dispositif d'horloge 202 de meilleure qualité.
[0058] Le bruit de phase L(f) est inversement proportionnel au rapport signal sur bruit (en anglais Signal-to-Noise Ratio - SNR) du signal d'horloge produit par le dispositif 202. Ce rapport signal sur bruit est difficile à prévoir, car il dépend notamment de propriétés mécaniques du résonateur 204 et de performances électriques d'une boucle d'asservissement (non représentée en figure 3) du dispositif d'horloge 202. Néanmoins, afin d'accroître le rapport signal sur bruit, on cherche généralement à optimiser prioritairement les propriétés du résonateur 204. Cela permet d'avoir à imposer des contraintes moindres sur la boucle d'asservissement du dispositif d'horloge 202.
[0059] Pour un signal d'excitation 304 donné, le niveau du signal de sortie du résonateur 204 dépend principalement de deux paramètres : le facteur de qualité, noté Q, du résonateur 204, défini par une largeur à mi-hauteur de la réponse en fréquence du résonateur 204, cette largeur à mi-hauteur étant liée à une dissipation d'énergie ; et l'efficacité de transduction du dispositif d'horloge
202.
[0060] Afin d'obtenir un niveau de signal élevé en sortie du dispositif d'horloge 202, il est donc notamment important d'améliorer le facteur de qualité Q du résonateur 204. Pour cela, on excite généralement la structure conjointement formée par la plaque 204 et les poutres 206 au voisinage de la fréquence de résonance, ou fréquence propre, de cette structure. On obtient ainsi, pour un signal d'excitation 304 donné, des mouvements vibratoires d'amplitude maximale. Dans une structure MEMS telle que celle décrite en relation avec les figures 2 et 3, la fréquence de résonance est typiquement située aux environs d'une dizaine de mégahertz.
[0061] Un inconvénient du dispositif d'horloge 202 tient au fait que la structure conjointement formée par la plaque 204 et les poutres 206 produit généralement des vibrations de faible amplitude, même lorsque cette structure est excitée au voisinage de sa fréquence de résonance. Cela complexifie la détection, par les électrodes 306, des mouvements de la plaque 204, diminuant ainsi le niveau du signal d'horloge en sortie du dispositif 202.
[0062] Un autre inconvénient du dispositif d'horloge 202 tient au fait que les ancrages 210 tendent à rigidifier la structure conjointement formée par la plaque 204 et les poutres 206. Cela entraîne des pertes mécaniques, impactant ainsi de façon négative le facteur de qualité Q du dispositif d'horloge 202.
[0063] La figure 4 est une vue de dessus, schématique et partielle, d'un autre exemple de dispositif d'horloge 402. Le dispositif d'horloge 402 de la figure 4 comporte des éléments communs avec le dispositif d'horloge 202 de la figure 3. Ces éléments communs ne seront pas détaillés à nouveau ci-dessous. À des fins de clarté, le substrat 208 n'a pas été représenté en figure 4.
[0064] Le dispositif d'horloge 402 de la figure 4 diffère du dispositif d'horloge 202 de la figure 3 principalement en ce que, dans le cas du dispositif d'horloge 402, la détection des vibrations de la plaque 204 s'effectue non pas grâce aux électrodes 306, mais par des ancrages piézorésistifs 404 disposés aux quatre coins de la plaque 204. Dans le dispositif d'horloge 402, les électrodes 306 de détection capacitive sont omises, ce qui permet par exemple de placer une électrode 302 d'excitation parallèlement à chaque côté du carré formé par la plaque 204.
[0065] En figure 4, on a représenté différentes zones de vibration de la plaque 204 lorsque le dispositif d'horloge
202 est en fonctionnement. Plus particulièrement : une zone non hachurée 204L symbolise une région de la plaque 204 soumise à des vibrations de faible amplitude ; des zones hachurées 204H symbolisent des régions de la plaque 204 soumises à des vibrations de forte amplitude, c'est-à-dire d'amplitude supérieure à celle de la zone 204L ; et une autre zone hachurée 204M symbolise une région de la plaque 204 soumise à des vibrations d'amplitude moyenne, c'est-à-dire d'amplitude comprise entre celles des zones 204L et 204H.
[0066] Les zones 204L, 204M et 204H illustrent un mode de vibration de la plaque 204. Afin d'optimiser la détection dans ce mode de vibration, les ancrages piézorésistifs 404 du dispositif d'horloge 402 sont liés aux zones hachurées 204H, autrement dit là où les vibrations de la plaque 204 sont les plus intenses.
[0067] Un circuit de lecture 406 connecté à l'un des ancrages 404 du dispositif 402 permet d'extraire, à partir des vibrations de la plaque 204, le signal d'horloge. Dans l'exemple illustré en figure 4, le circuit de lecture 406 comprend : une résistance 406R connectée entre l'ancrage 404 et un nœud d'application d'un potentiel noté Vd ; et un condensateur 406C, connecté entre l'ancrage 404 et un autre nœud, parcouru par un courant noté Iout.
[0068] Dans cet exemple, l'ancrage 404 diagonalement opposé à l'ancrage 404 auquel est connecté le circuit de lecture 406 est porté à un potentiel de référence, ici la masse.
[0069] Le dispositif d'horloge 402 est généralement plus performant à haute fréquence et de fabrication plus aisée que le dispositif d'horloge 202. Toutefois, un inconvénient du dispositif d'horloge 402 tient au fait que les ancrages 404
assurent à la fois des fonctions de tenue mécanique et de transduction, ce qui tend à entraver les mouvements vibratoires de la plaque 204. On parle alors de phénomène de rétroaction, car les ancrages piézorésistifs 404 perturbent les vibrations de la plaque 204 qu'ils sont eux-mêmes censés détecter .
[0070] La figure 5 est une vue de dessus, schématique et partielle, d'un mode de réalisation d'un dispositif d'horloge 502.
[0071] Le dispositif d'horloge 502 comporte un élément résonnant 504 plan et possédant, vu de dessus en figure 5, une forme de préférence carrée. Chaque coin, autrement dit chaque angle, de l'élément résonnant 504 se termine par une poutre 506 disposée perpendiculairement à la diagonale du carré passant par ce coin. Les extrémités de chaque poutre 506 sont respectivement liées à un substrat 508 par des ancrages 510 perpendiculaires à l'axe des poutres 506. L'élément résonnant 504 et les poutres 506 sont, par exemple, réalisés à partir d'une même couche. Dans ce cas, l'élément résonnant 504 et les poutres 506 forment conjointement une même pièce mécanique.
[0072] En figure 5, une zone hachurée 508 symbolise une portion de surface du substrat 508. Vu de dessus en figure 5, l'élément résonnant 504 est situé sur le substrat 508, parallèlement à la surface du substrat 508. L'élément résonnant 504 est maintenu, par exemple, à quelques micromètres ou à quelques millimètres au-dessus de la surface du substrat 508, de sorte que l'élément résonnant 504 surplombe la surface du substrat 508 sans la toucher.
[0073] Dans le dispositif d'horloge 502, l'élément résonnant 504 et les poutres 506 ont une épaisseur comprise entre 200 nm et 500 pm, de préférence égale à environ 10 pm. L'élément résonnant, de forme carrée, possède un côté compris entre
2 mpiet 1 mm, de préférence égal à environ 200 pm. Les poutres 506 présentent, vues de dessus en figure 5, une largeur comprise entre 1 pm et 5 pm, de préférence égale à environ
3 pm, et une longueur comprise entre 10 pm et 70 pm, de préférence égale à environ 40 pm. Du fait de leur épaisseur micrométrique, l'élément résonnant 504 et les poutres 506 du dispositif d'horloge 502 forment conjointement un microsystème électromécanique, ou MEMS. En particulier, l'élément résonnant 504 est qualifié d'élément résonnant micro-électromécanique .
[0074] Selon un mode de réalisation, l'élément résonnant 504 et les poutres 506 possèdent la même épaisseur. En variante, les poutres 506 possèdent une épaisseur inférieure à celle de l'élément résonnant 504.
[0075] Selon un mode de réalisation, un élément de transduction 512, de préférence un élément de transduction piézorésistif, est lié à chaque poutre 506. Comme illustré en figure 5, les éléments de transduction 512 sont disposés perpendiculairement aux poutres 506, dans le prolongement des diagonales du carré formé par l'élément résonnant 504. Chaque élément de transduction est, en outre, lié au substrat 508 par un ancrage 514. Dans la suite de la description, les éléments de transduction piézorésistifs 512 sont également appelés jauges piézorésistives ou jauges de contrainte.
[0076] Selon un mode de réalisation préféré, les éléments de transduction 512 forment chacun un parallélépipède rectangle possédant une longueur comprise entre 500 nm et 100 pm, de préférence égale à environ 5 pm, une largeur comprise entre 50 nm et 50 pm, de préférence égale à environ 250 nm, et une hauteur, ou épaisseur, comprise entre 50 nm et 50 pm, de préférence égale à environ 250 nm. Par longueur de l'élément de transduction 512, on entend la dimension de l'élément 512 entre l'ancrage 514 et la poutre 506 et par hauteur ou
épaisseur de l'élément de transduction 512, on entend la dimension de l'élément 512 perpendiculaire à la surface du substrat 508.
[0077] Les éléments de transduction 512 possèdent préférentiellement des dimensions identiques, aux dispersions de fabrication près. Du fait de leurs largeurs et hauteurs nanométriques, les éléments de transduction 512 du dispositif d'horloge 502 sont qualifiés de nanosystèmes électromécaniques (en anglais nanoelectromechanical System - NEMS), ou éléments de transduction nano électromécaniques .
[0078] Afin de produire un signal d'horloge, on fait vibrer l'élément résonnant 504 dans un plan parallèle à la surface du substrat 508, autrement dit en « mode de respiration » comme exposé précédemment. De manière générale, la vibration de l'élément résonnant 504 est obtenue grâce à un signal électrique d'excitation (en courant ou en tension). Ce signal est modulé de manière à exciter l'élément résonnant 504 à une fréquence environ égale à sa fréquence de résonance. L'élément résonnant 504 possède par exemple une fréquence propre comprise entre 1 MHz et 100 MHz, de préférence comprise entre 10 MHz et 100 MHz, plus préférentiellement égale à environ 20 MHz.
[0079] Le dispositif 502 est plus particulièrement un dispositif générateur de signaux d'horloge à mode de respiration de volume. L'application du signal d'excitation provoque par exemple des déformations de l'élément résonnant 504, par exemple des mouvements de constriction et dilatation oscillatoires, dans toutes les directions de l'espace.
[0080] Dans l'exemple représenté, les éléments de transduction 512 sont placés de sorte à ne pas gêner le mode de respiration du dispositif 502. En outre, les éléments de
transduction 512 présentent des dimensions permettant de ne pas affecter la dynamique du dispositif 502.
[0081] À titre d'exemple, les éléments de transduction 512 du dispositif 502 sont tels que la fréquence de résonance du dispositif 502 est sensiblement identique à 5 % près, de préférence à 1 % près, à la fréquence de résonance que présenterait le dispositif 502 dépourvu des éléments de transduction 512. Dit autrement, la présence des éléments de transduction 512 entraîne une modification de la fréquence de résonance du dispositif 502 inférieure à 5 %, de préférence inférieure à 1 %, par rapport à un cas où les éléments de transduction 512 seraient omis.
[0082] Selon un mode de réalisation, la vibration est causée par l'application d'un champ électrostatique variable rayonné par une ou plusieurs électrodes positionnées à proximité de l'élément résonnant 504. Selon un autre mode de réalisation, la vibration est produite par une couche de matériau piézoélectrique située sous l'élément résonnant 504. En variante, l'élément résonnant 504 est constitué d'un matériau piézoélectrique capable de s'étendre et de se rétracter au gré des variations d'un signal de commande. Selon encore un autre mode de réalisation, les poutres 506 sont constituées d'un matériau piézoélectrique, de sorte qu'un potentiel appliqué sur les poutres 506 produit une contrainte sur les poutres 506 et sur l'élément résonnant 504.
[0083] En variante, les poutres 506 sont en un matériau conducteur électriquement qui se dilate lorsque la température augmente, les poutres 506 étant disposées de sorte à appliquer une contrainte sur l'élément résonnant 504. Un courant électrique traversant les poutres 506 aura alors tendance à provoquer une élévation de température, donc une dilatation, des poutres 506. Au contraire, une absence de courant électrique traversant les poutres 506 aura alors
tendance à provoquer une baisse de température, donc une compression, des poutres 506. En alternant périodiquement entre des phases où un courant électrique traverse les poutres 506 et d'autres phases où les poutres 506 sont traversées par un courant négligeable ou nul, on peut parvenir à faire vibrer l'élément résonnant 504 au voisinage de sa fréquence de résonance .
[0084] Un avantage du dispositif d'horloge 502 tient au fait que les jauges piézorésistives 512 permettent d'atteindre des performances de transduction élevées, supérieures notamment aux performances des systèmes de transduction capacitifs et piézorésistifs respectivement exposés en relation avec les figures 3 et 4. Le dispositif d'horloge 502 est en outre plus facile à fabriquer que les dispositifs à détection capacitive qui, à l'instar du dispositif 202 de la figure 3, possèdent des électrodes 306 très proches de la plaque 204.
[0085] Un autre avantage du dispositif 502 réside dans le fait que les jauges piézorésistives NEMS 512 ont des dimensions significativement inférieures à celles de la structure MEMS conjointement formée par l'élément résonnant 504 et par les poutres 506. Cela permet en particulier de faire en sorte que les jauges piézorésistives NEMS 512 aient une influence négligeable sur les vibrations de l'élément résonnant 504, c'est-à-dire que les jauges 512 n'induisent pas de phénomène de rétroaction.
[0086] Dans le cas du dispositif d'horloge 502, les fonctions de maintien mécanique, ou d'ancrage, et de transduction sont en effet découplées, contrairement, par exemple, au cas du dispositif d'horloge 402 de la figure 4. Cela permet notamment d'optimiser les performances mécaniques de l'élément résonnant 504 en réduisant les pertes liées aux ancrages 510, donc d'améliorer le facteur de qualité Q du dispositif d'horloge 502.
[0087] De manière plus générale, l'association d'un élément résonnant 504 de type MEMS et d'éléments de transduction 512 de type NEMS permet au dispositif d'horloge 502 d'atteindre de meilleures performances à la fois en termes de transduction et en termes de facteur de qualité Q. On obtient ainsi, grâce au dispositif d'horloge 502, un signal d'horloge de meilleure qualité que le signal d'horloge susceptible d'être produit, par exemple, par les dispositifs d'horloge 202 (figures 2 et 3) et 402 (figure 4).
[0088] On a représenté en figure 5 un dispositif d'horloge 502 comportant un élément résonnant MEMS 504 de forme carrée, lié au substrat 508 par quatre jauges piézorésistives NEMS 512. En variante, le dispositif d'horloge 502 comporte un élément résonnant MEMS 504 de forme quelconque, notamment une forme polygonale, de préférence une forme de parallélogramme. En outre, le dispositif d'horloge 502 peut comporter un nombre quelconque de jauges piézorésistives NEMS 512, ces jauges 512 étant, de préférence, positionnées de sorte à détecter une amplitude de vibration maximale de l'élément résonnant MEMS 504.
[0089] La figure 6 est une vue en coupe selon le plan AA, schématique et partielle, du dispositif d'horloge 502 de la figure 5.
[0090] Comme illustré dans la vue en coupe de la figure 6, la jauge piézorésistive 512 (NEMS) est intercalée entre d'une part une structure (MEMS) conjointement formée par l'élément résonnant 504 et la poutre 506, et d'autre part l'ancrage 514. La jauge piézorésistive NEMS 512 possède une épaisseur, notée T_NEMS, au moins dix fois inférieure, de préférence environ quarante fois inférieure, à l'épaisseur, notée T_MEMS, de la structure MEMS et de l'ancrage 514. La jauge piézorésistive NEMS 512 détecte ainsi avec une grande sensibilité les
mouvements vibratoires de la structure MEMS et ne perturbe pas, ou perturbe peu, ces mouvements vibratoires.
[0091] La figure 7 est une vue de dessus, schématique et partielle, d'un autre mode de réalisation d'un dispositif d'horloge 702.
[0092] Le dispositif d'horloge 702 de la figure 7 comprend des éléments communs avec le dispositif 502 de la figure 5. Ces éléments communs ne seront pas détaillés à nouveau ci- après. Le dispositif 702 de la figure 7 diffère du dispositif 502 de la figure 5 principalement en ce que le dispositif 702 possède, à chaque coin de l'élément résonnant 504, deux jauges piézorésistives 512a et 512b.
[0093] En figure 7, seul un coin de l'élément résonnant 504 du dispositif d'horloge 702 a été représenté, étant entendu que les autres coins de l'élément résonnant 504 peuvent être identiques, aux dispersions de fabrication près, au coin représenté en figure 7.
[0094] Selon un mode de réalisation, les jauges piézorésistives 512a et 512b sont excentrées par rapport à la poutre 506. Cela permet de réduire encore davantage l'influence des jauges piézorésistives 512a et 512b sur les mouvements vibratoires de l'élément résonnant 504 et d'éviter ou de limiter l'apparition de modes communs. Les jauges piézorésistives 512a et 512b sont respectivement situées face à face, de part et d'autre de la poutre 506. Chaque jauge piézorésistive 512a, 512b est disposée perpendiculairement à la direction longitudinale de la poutre 506 et est liée au substrat 508 (non représenté en figure 7) par un ancrage 514a, 514b. La poutre 506 est toujours supposée liée au substrat 508, c'est-à-dire maintenue solidaire du substrat 508, par les ancrages 510 situés à chacune de ses extrémités.
[0095] Dans l'orientation de la figure 7, lorsque l'élément résonnant 504 s'étend vers le haut (flèche 702T), cela provoque une compression de la jauge piézorésistive 512a et une extension de la jauge piézorésistive 512b. À l'inverse, lorsque l'élément résonnant 504 se rétracte vers le bas (flèche 702B), cela provoque une extension de la jauge piézorésistive 512a et une compression de la jauge piézorésistive 512b. Dans cette configuration, appelée mesure différentielle, les jauges piézorésistives 512a et 512b subissent des contraintes d'amplitude sensiblement égale et de signe opposé.
[0096] Comme illustré en figure 7, en fonctionnement, une source de tension 704a (V) applique, sur l'ancrage 514a, un potentiel électrique continu, de valeur positive notée +Vb. De façon analogue, une source de tension 704b (V) applique, sur l'ancrage 514b, un potentiel électrique continu, de valeur négative notée -Vb. Une résistance 706 (RL) est connectée entre l'un des ancrages 510 de la poutre 506 (l'ancrage 510 le plus proche des jauges piézorésistives 512a et 512b, en figure 7) et la masse. La valeur de la résistance RL est supposée très supérieure, par exemple mille fois supérieure, à la résistance des jauges piézorésistives 512a et 512b, notée RG.
[0097] Dans cette configuration, on applique à chaque jauge piézorésistive 512a, 512b une tension d'amplitude Vb égale, mais de signe opposé. On obtient ainsi, sur l'ancrage 510 relié à la résistance 706, un potentiel variable noté Vout, de valeur moyenne approximativement nulle, par exemple comprise entre -0,1 V et +0,1 V, de préférence nulle, et dont l'amplitude est proportionnelle à l'amplitude de vibration de l'élément résonnant 504.
[0098] En variante, la tension Vb est une tension électrique alternative de fréquence notée fb, la fréquence fb étant
proche de la fréquence fO de vibration de l'élément résonnant 504. Dans cette variante, la tension de sortie Vout possède une composante de fréquence égale à fO - fb. Cela permet avantageusement d'utiliser des circuits de lecture fonctionnant à basse fréquence.
[0099] Selon un mode de réalisation, l'élément résonnant MEMS 504 est constitué de silicium. Les jauges piézorésistives NEMS 512a et 512b du dispositif d'horloge 702 sont, de préférence, constituées du même matériau que l'élément résonnant MEMS 504. En variante, les jauges piézorésistives NEMS 512a et 512b sont constituées d'un matériau piézorésistif autre que celui dont est constitué l'élément résonnant MEMS 504.
[0100] La figure 8 est une vue de dessus, schématique et partielle, d'encore un autre mode de réalisation d'un dispositif d'horloge 802.
[0101] Le dispositif d'horloge 802 de la figure 8 comprend des éléments communs avec le dispositif 502 de la figure 5. Ces éléments communs ne seront pas détaillés à nouveau ci- après. Le dispositif 802 de la figure 8 diffère du dispositif 502 de la figure 5 principalement en ce que, dans le dispositif 802, les poutres 506 sont omises. Chaque coin de l'élément résonnant 504 du dispositif d'horloge 802 est ainsi lié au substrat 508 (non représenté en figure 8) par une jauge piézorésistive 512 de résistance RG. Comme dans le dispositif 502 de la figure 5, chaque jauge piézorésistive 512 du dispositif 802 est maintenue solidaire du substrat 508 par un ancrage 514.
[0102] Selon un mode de réalisation, l'élément résonnant 504 est lié au substrat 508 par un pilier central (non représenté en figure 8). Cela permet avantageusement de découpler la fonction d'ancrage mécanique, réalisée par le pilier central, et la fonction de transduction, assurée par les jauges
piézorésistives 512. Autrement dit, dans ce cas, les jauges 512 ne participent pas, ou participent peu, à la fonction d'ancrage mécanique.
[0103] Dans le dispositif d'horloge 802, une source de tension 804 (V) impose sur l'un des ancrages 514 une tension positive, notée +Vb. Un autre ancrage 514 du dispositif 802 est relié à la masse par l'intermédiaire d'une résistance 806 de valeur RL. La valeur RL de la résistance 806 est choisie de manière à être égale à environ deux fois la résistance RG d'une jauge piézorésistive 512 (RL = 2.RG). Une tension de sortie Vout est mesurée aux bornes de la résistance 806.
[0104] Les deux jauges 512 respectivement reliées à la source de tension 804 et à la résistance 806 sont alors dites branchées en configuration de « demi-pont de Wheatstone », la résistance 806 faisant ici office de deuxième résistance du pont. Lorsque l'élément résonnant 504 entre en vibration, la tension de sortie Vout du demi-pont de Wheatstone aura une composante oscillante d'amplitude proportionnelle à la vibration mécanique de l'élément résonnant 504.
[0105] Comme exposé en relation avec la figure 7, la tension Vb peut être une tension continue ou une tension alternative.
[0106] La transduction du mouvement vibratoire de l'élément résonnant 504 du dispositif d'horloge 802 s'effectue grâce aux jauges piézorésistives 512. Sous l'action des vibrations de l'élément résonnant 504, toutes les jauges piézorésistives 512 subissent alternativement des contraintes en tension et en compression sensiblement identiques. Ces contraintes provoquent des variations périodiques de résistance RG des jauges piézorésistives 512, qui permettent de produire un signal d'horloge.
[0107] Les jauges piézorésistives 512 du dispositif d'horloge 802 remplissent à la fois une fonction de transduction et une
fonction de maintien mécanique. Toutefois, contrairement au dispositif d'horloge 402 de la figure 4, on fait ici en sorte que l'ensemble des jauges piézorésistives 512 possède une rigidité en compression négligeable, c'est-à-dire au moins dix fois inférieure à la rigidité du mode de vibration de l'élément résonnant 504. On s'affranchit ainsi des problèmes de rétroaction précédemment décrits en relation avec la figure 4.
[0108] Dans le dispositif d'horloge 802, l'élément résonnant 504 possède par exemple un mode de vibration à une fréquence fO égale à environ 20 MHz, avec une raideur égale à environ 3,6.107 N.nr1. Les quatre jauges piézorésistives 512 possèdent ensemble une raideur en compression par exemple égale à environ 5.103 N.nr1, autrement dit une rigidité plusieurs milliers de fois inférieure à celle du mode de vibration de l'élément résonnant 504. Plus généralement, la rigidité de l'élément résonnant 504 est au moins mille fois supérieure à celle d'une jauge piézorésistive 512.
[0109] La figure 9 est une vue de dessus, schématique et partielle, d'encore un autre mode de réalisation d'un dispositif d'horloge 902.
[0110] Le dispositif d'horloge 902 de la figure 9 comprend des éléments communs avec le dispositif 802 de la figure 8. Ces éléments communs ne seront pas détaillés à nouveau ci- après. Le dispositif 902 de la figure 9 diffère du dispositif 802 de la figure 8 principalement en ce que le dispositif 902 est lié au substrat 508 par seulement deux jauges piézorésistives 512 diagonalement opposées.
[0111] Selon un mode de réalisation, l'élément résonnant 504 est en outre lié au substrat 508 par un pilier 904 représenté, en figure 9, par un cercle en pointillé. Le pilier 904 est, de préférence, un pilier central cylindrique, situé à l'aplomb du centre de gravité de l'élément résonnant 504.
[0112] Le pilier 904 est avantageusement lié à une zone où l'élément résonnant 504 subit une déformation minimale dans le mode de vibration considéré. Cela permet notamment de faire en sorte que le pilier 904 ait un impact négligeable sur le mode de vibration de l'élément résonnant 504, autrement dit que le pilier 904 n'entrave pratiquement pas les mouvements vibratoires de l'élément résonnant 504. On limite ainsi les pertes dues à la liaison de l'élément résonnant 504 au substrat 508, tout en améliorant la solidité mécanique du dispositif d'horloge 902.
[0113] On a représenté en figure 9 un dispositif d'horloge 902 comportant un élément résonnant MEMS 504 de forme carrée, lié au substrat 508 par deux jauges piézorésistives NEMS 512. En variante, le dispositif d'horloge 902 comporte un élément résonnant MEMS 504 de forme quelconque, notamment une forme polygonale, de préférence une forme de parallélogramme. En outre, le dispositif d'horloge 902 peut comporter un nombre quelconque de jauges piézorésistives NEMS 512, ces jauges 512 étant, de préférence, positionnées de sorte à détecter une amplitude de vibration maximale de l'élément résonnant MEMS 504.
[0114] Les dispositifs d'horloge 502, 702, 802 et 902 respectivement décrits en relation avec les figures 5, 7, 8 et 9 sont, de préférence, réalisés en mettant en œuvre un procédé tel que celui décrit dans la demande de brevet n° W02011048132, qui est incorporée par référence dans la mesure où cela est autorisé par la loi. Un mode de mise en œuvre de ce procédé comprend en particulier une étape où l'élément résonnant 504 et les poutres 506 sont de préférence obtenus à partir d'une première couche d'épaisseur micrométrique tandis que les jauges piézorésistives 512 sont obtenues à partir d'une deuxième couche d'épaisseur nanométrique, c'est-à-dire d'épaisseur au moins dix fois
inférieure, de préférence environ quarante fois inférieure, à celle de la première couche.
[0115] L'utilisation, dans le circuit 102 de la figure 1, d'un dispositif d'horloge 108 analogue aux dispositifs d'horloge 502, 702, 802 et 902 permet avantageusement de produire un signal d'horloge de haute qualité à une fréquence par exemple égale à environ 20 MHz.
[0116] Les figures 10 à 14 illustrent, en vue de dessus, des modes de réalisation d'éléments résonnants 504 de diverses formes et symbolisent des modes de vibration associés. Les figures 10 à 14 comprennent un repère orthonormé (O,c,g,z) dont l'axe z est perpendiculaire à la surface du substrat 508 (non représenté), les figures 10 à 14 représentant toutes des vues situées dans un plan (0,x,y) perpendiculaire à l'axe z.
[0117] Dans les figures 10 à 14, l'élément résonnant s'étend et se rétracte dans le plan (0,x,y) parallèle au substrat 508 (non représenté). L'élément résonnant 504 ne subit en revanche aucune transformation selon l'axe z, ou une transformation selon l'axe z d'amplitude négligeable par rapport aux transformations subies selon les axes x et y.
[0118] La figure 10 est une vue de dessus, schématique et partielle, symbolisant un mode de vibration 504_M1 d'un élément résonnant 504 de forme carrée, par exemple l'élément résonnant 504 du dispositif d'horloge 902 de la figure 9. L'élément résonnant 504 est supposé lié au substrat 508 (non représenté) par le pilier 904.
[0119] Au cours de chaque période du mode de vibration 504_M1 symbolisé en figure 10, l'élément résonnant 504 s'étend selon les axes x et y, puis se rétracte selon les axes x et y.
[0120] La figure 11 est une vue de dessus, schématique et partielle, symbolisant un autre mode de vibration 504_M2 de l'élément résonnant 504 de la figure 10.
[0121] Au cours de chaque période du mode de vibration 504_M2, l'élément résonnant 504 s'étend selon l'axe x tandis qu'il se rétracte selon l'axe y, puis se rétracte selon l'axe x tandis qu'il s'étend selon l'axe y.
[0122] De manière générale, lorsque l'on souhaite tirer profit de l'élément résonnant 504 pour produire un signal d'horloge, on place avantageusement le ou les éléments de transduction nano-électromécaniques 512 là où l'amplitude de vibration est maximale pour un mode de vibration donné. Pour exploiter au mieux le mode de vibration 504_M1 symbolisé en figure 10, on a par exemple intérêt à placer un élément de transduction 512 à chaque coin de l'élément résonnant 504, dans le prolongement des diagonales du carré formé par l'élément 504. En revanche, pour tirer profit du mode de vibration 504_M2 symbolisé en figure 11, on aura par exemple plutôt intérêt à prévoir des éléments de transduction 512 perpendiculaires aux côtés parallèles à l'axe y du carré formé par l'élément 504.
[0123] La figure 12 est une vue de dessus, schématique et partielle, symbolisant le mode de vibration 504_M1 dans un mode de réalisation où l'élément résonnant 504 est de forme circulaire .
[0124] Au cours de chaque période du mode de vibration 504_M1 symbolisé en figure 12, le diamètre du disque formé par la surface supérieure de l'élément résonnant 504 augmente puis diminue .
[0125] La figure 13 est une vue de dessus, schématique et partielle, symbolisant le mode de vibration 504_M1 dans un mode de réalisation où l'élément résonnant 504 est en forme de couronne. Selon ce mode de réalisation, le pilier 904 liant l'élément résonnant 504 au substrat 508 (non représenté) est en forme de cylindre creux.
[0126] Au cours de chaque période du mode de vibration 504_M1 symbolisé en figure 13, le diamètre extérieur de la couronne formée par la surface supérieure de l'élément résonnant 504 augmente puis diminue.
[0127] La figure 14 est une vue de dessus, schématique et partielle, symbolisant le mode de vibration 504_M1 dans un mode de réalisation où l'élément résonnant 504 est de forme rectangulaire. Selon ce mode de réalisation, le pilier 904 liant l'élément résonnant 504 au substrat 508 (non représenté) est omis. Dans ce cas, l'élément résonnant 504 est lié au substrat 508 par un ancrage 514 situé à l'une des extrémités, ou l'un des petits côtés, de l'élément 504.
[0128] Au cours de chaque période du mode de vibration 504_M1 symbolisé en figure 14, l'élément résonnant 504 s'étend puis se rétracte principalement selon sa direction longitudinale y·
[0129] Pour exploiter au mieux le mode de vibration 504_M1 symbolisé en figure 14, on a par exemple intérêt à placer un élément de transduction perpendiculairement à l'extrémité de l'élément résonnant 504 qui n'est pas liée au substrat 508 par l'ancrage 514 (l'extrémité supérieure de l'élément résonnant 504, dans l'orientation de la figure 14).
[0130] Les modes de réalisation décrits ci-dessus en relation avec les figures 10 à 14 ne sont pas limitatifs. En particulier, la personne du métier est capable de transposer ces modes de réalisation à des configurations dans lesquelles les éléments résonnants 504 sont de forme quelconque et/ou dont les modes de vibration peuvent être différents de ceux décrits précédemment.
[0131] Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et
variantes pourraient être combinées, et d'autres variantes apparaîtront à la personne du métier. En particulier, la personne du métier est capable d'ajuster la géométrie de l'élément résonnant micro-électromécanique 504 en fonction de la fréquence fO à atteindre. La personne du métier est en outre capable de positionner le ou les éléments de transduction nano-électromécaniques 512 afin d'optimiser la qualité du signal d'horloge produit.
[0132] Enfin, la mise en œuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de la personne du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.
Claims
REVENDICATIONS
1. Dispositif (502 ; 702 ; 802 ; 902) générateur de signaux d'horloge à mode de respiration comportant : un élément résonnant micro-électromécanique
(504) ; et au moins un élément de transduction nano électromécanique (512 ; 512a, 512b).
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le mode de respiration est un mode de respiration de volume.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'élément résonnant (504), de forme plane, est parallèle à une surface d'un substrat (508).
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel l'élément résonnant (504) possède des modes de vibration en respiration parallèlement à la surface du substrat (508).
5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, dans lequel l'élément résonnant (504) est lié au substrat (508) par l'élément de transduction (512 ; 512a, 512b).
6. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, dans lequel l'élément résonnant (504) est lié au substrat (508) par au moins une poutre (506), la poutre étant maintenue, à chaque extrémité, par des ancrages (510) situés en surface du substrat (508).
7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel les extrémités de l'élément de transduction (512 ; 512a, 512b) sont respectivement liées au substrat (508) et à la poutre (506), l'élément de transduction étant perpendiculaire à la poutre.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, dans lequel l'élément résonnant (504) est en outre lié au
substrat (508) par un pilier (904) situé, de préférence, à l'aplomb du centre de gravité de l'élément résonnant.
9.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l'élément résonnant (504) possède, vu de dessus, une forme polygonale, de préférence une forme de parallélogramme, encore plus préférentiellement une forme carrée .
10. Dispositif selon les revendications 6 et 9, comportant plusieurs poutres (506) situées chacune dans un coin de l'élément résonnant (504).
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications
1 à 10, dans lequel l'élément résonnant (504) possède une fréquence propre comprise entre 1 MHz et 100 MHz, de préférence comprise entre 10 MHz et 100 MHz, plus préférentiellement égale à environ 20 MHz.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel l'élément résonnant (504) est, vu de dessus, de forme carrée et possède : un côté compris entre 2 pm et 1 mm, de préférence égal à environ 200 pm ; et une épaisseur (T_MEMS) comprise entre 200 nm et 500 pm, de préférence égale à environ 10 pm.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel chaque élément de transduction (512 ; 512a, 512b) forme un parallélépipède rectangle possédant : une longueur comprise entre 500 nm et 100 pm, de préférence égale à environ 5 pm ; et une largeur comprise entre 50 nm et 50 pm, de préférence égale à environ 250 nm ; et une hauteur (T_NEMS) comprise entre 50 nm et 50 pm, de préférence égale à environ 250 nm.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel chaque élément de transduction (512 ; 512a, 512b) est une jauge de contrainte piézorésistive.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications
1 à 14, dans lequel la présence du ou des éléments de transduction (512 ; 512a, 512b) entraîne une modification de la fréquence de résonance du dispositif (502 ; 702 ; 802 ; 902) inférieure à 5 %, de préférence inférieure à 1 %.
16. Circuit électronique (102) comprenant au moins un dispositif (502 ; 702 ; 802 ; 902) selon l'une quelconque des revendications 1 à 15.
17. Procédé de fabrication d'un dispositif (502 ; 702 ;
802 ; 902) selon l'une quelconque des revendications 1 à
15, comprenant une étape consistant à : réaliser l'élément résonnant micro électromécanique (504) à partir d'une première couche ; et réaliser l'élément de transduction nano électromécanique (512 ; 512a, 512b) à partir d'une deuxième couche, la deuxième couche possédant une épaisseur au moins dix fois inférieure, de préférence environ quarante fois inférieure, à l'épaisseur de la première couche.
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