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Conception et intégration de circuits CMOS et de microsystèmes électromécaniques (MEMS) pour la synthèse d'un oscillateur à haute performance

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Beaulieu, Philippe-Olivier (2019). Conception et intégration de circuits CMOS et de microsystèmes électromécaniques (MEMS) pour la synthèse d'un oscillateur à haute performance. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La miniaturisation des composants électroniques est un enjeu important dans l’industrie. Cette tendance permet entre autres de réduire la consommation de puissance des systèmes, d’offrir plus de fonctionnalités et de réduire le prix.

Un des circuits touché par la miniaturisation est l’oscillateur. Cet oscillateur génère une fréquence de référence qui est utilisée pour synchroniser les opérations des différents circuits numériques ou analogiques d’un système. Présentement, un résonateur en quartz est employé. Celui-ci offre une fréquence de référence extrêmement stable en température, mais a plusieurs désavantages comme un prix de fabrication relativement élevé, une grande taille et l’impossibilité d’être intégré avec les technologies de fabrication des circuits intégrés.

L’alternative actuelle est donc de remplacer les résonateurs en quartz par des microrésonateurs. Ces résonateurs sont des systèmes électromécaniques (MEMS) qui eux peuvent être fabriqués avec des technologies compatibles à celles des circuits intégrés. De plus, les résonateurs MEMS sont beaucoup plus petits et se fabriquent à petit prix. Leur désavantage principal est la variation de leur fréquence en fonction de la température. Les différentes techniques de compensation en température passives sont l’objet de la revue de littérature du premier chapitre de ce mémoire.

Le deuxième chapitre présente la première contribution quant à la conception, la fabrication et le test de résonateurs MEMS piézoélectriques et électrostatiques. La technologie commerciale PiezoMUMPS a été utilisée. Deux principales techniques ont été évaluées afin de réduire l’impact de la température sur la fréquence de résonance, soit la conception des ancres des résonateurs et l’ajout de trous dans la structure des résonateurs électrostatiques.

Finalement, le troisième chapitre présente la deuxième contribution de ce travail en présentant deux circuits intégrés d’amplificateur transimpédance. Le premier circuit intégré a été fabriqué avec la technologie CMOS 130 nm d’IBM et a été testé. Le deuxième circuit a été fabriqué avec la technologie CMOS 65 nm de TSMC. Celui-ci contient deux nouveautés par rapport au circuit en 130 nm, soit un circuit de contrôle qui permet d’utiliser l’amplificateur avec deux résonateurs qui ont des fréquences différentes, permettant des applications en télécommunication, et un circuit de contrôle de phase automatique, assurant l’oscillation du système.

Titre traduit

Design and integration of integrated CMOS circuits and microelectromechanical systems (MEMS) for high performance oscillator synthesis

Résumé traduit

The miniaturization of electronic components is an important issue in the industry. This trend allows, among other things, to reduce the power consumption of system to offer more features and to reduce the price.

One of the circuits affected by miniaturization is the oscillator. This oscillator generates a reference frequency which is used to synchronize the operations of the different digital or analog circuits of a system. Currently, a quartz resonator is used. The latter has an extremely stable reference frequency in temperature, but has several disadvantages such as a relatively high manufacturing price, a large size and the impossibility of being integrated with the integrated circuit manufacturing technologies.

The current alternative is to replace quartz resonators with micro-resonator. These resonators are microelectromechanical systems (MEMS) which can be manufactured with technologies compatible with those of integrated circuits. In addition, MEMS resonators are much smaller and are manufactured at low cost. Their main disadvantage is the variation of their frequency as a function of temperature. The various passive temperature compensation techniques are the subject of the literature review of the first chapter of this thesis.

The second chapter presents the first contribution to the design, fabrication and testing of piezoelectric and electrostatic MEMS resonators. Commercial technology PiezoMUMPS was used. Two main techniques were evaluated to reduce the impact of temperature on the resonant frequency, namely the design of resonator anchors and the addition of holes in the structure of electrostatic resonators.

Finally, the third chapter presents the second contribution of this work by presenting two integrated transimpedance amplifier circuits. The first integrated circuit was manufactured with IBM 130 nm CMOS technology and has been tested. The second circuit was manufactured using TSMC CMOS 65 nm technology. This circuit includes two new features compared to the 130 nm circuit, which is a control circuit that allows the amplifier to be used with two resonators that have different frequencies, allowing telecommunication applications, and an automatic phase control circuit, ensuring the oscillation of the system.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie électrique". Comprend des références bibliographiques (pages 151-152).
Mots-clés libres: circuit intégré, MEMS, oscillateur, compensation, température
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Nabki, Frédéric
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt: 08 juill. 2019 20:31
Dernière modification: 08 juill. 2019 20:31
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2329

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