L'invention est relative à un procédé de polarisation d'un micro-circuit électromécanique à une valeur de charge électrique constante et à un micro- circuit électromécanique comportant un circuit de polarisation à charge électrique constante correspondant.

A l'heure actuelle, le problème de la polarisation des micro-circuits électro-mécaniques, tels que les transducteurs électrostatiques, se pose dans le cadre des recherches sur les architectures de filtres électromécaniques, utilisant des résonateurs micromécaniques à actionnement électrostatique.

En tant qu'éléments de base pour la conception de filtres, de tels résonateurs peuvent être assimilés aux résonateurs à quartz classiques.

Les résonateurs des deux types précités utilisent un élément résonant mécanique et des transducteurs électromécaniques à actionnement électrostatique ou piézoélectrique pour coupler l'élément résonant mécanique avec les signaux électriques. De nombreuses architectures de filtres sont connues à base de ce type, tel que représenté en figure 1a) et 1b) selon deux exemples.

Cependant, à la différence des résonateurs à quartz, les résonateurs à actionnement électrostatique nécessitent une polarisation continue pour un fonctionnement linéaire.

Ainsi, la tension de polarisation et le signal sont superposés sur chacun des transducteurs électrostatiques.

Pour isoler les signaux des sources de polarisation, on utilise une inductance ou une résistance de forte valeur, présentant une impédance importante aux fréquences de fonctionnement, ainsi que représenté en figure 1c, l'isolation de la source continue de polarisation étant nécessaire sur les noeuds intermédiaires de signal N.

Cependant, ni les résistances de forte valeur, supérieures à 10 MQ, ni les inductances de forte valeur ne sont intégrables sur un substrat. De ce fait, il est nécessaire d'utiliser des composants externes à ce dernier, ce qui présente deux inconvénients majeurs : - nécessité d'un grand nombre de connexions extérieures ; - introduction au noeud de signal, par ces dernières, d'une capacité parasite importante, limitant le degré de liberté pour l'optimisation des circuits de filtrage. En outre, l'actionnement électrostatique étant basé sur un échange de

charges, de fortes capacités parasites réduisent alors l'efficacité de ce dernier, la même variation de charge, sur une capacité plus grande, résultant en une tension plus faible.

Un exemple d'architecture particulièrement vulnérable vis-à-vis de ce problème représentée en figure 1d concerne un filtre à résonateurs couplés.

Dans l'architecture précitée, trois résonateurs élémentaires Res. 1, Res. 2 et Res. 3 sont couplés par leurs transducteurs électrostatiques. Les noeuds communs, N et M, sont polarisés par l'intermédiaire d'inductances de forte valeur, de façon à isoler les noeuds précités de la tension de référence aux fréquences de fonctionnement.

Par conséquent, la quantité de charge électrique sur les noeuds M et N est constante lors de la vibration des résonateurs. Les tensions de polarisation Eo1 et Eo2 apppliquées aux inductances de forte valeur peuvent être nulles.

Le mécanisme de couplage peut être expliqué à partir des résonateurs Res. 1 et Res. 2.

Si le résonateur Res. 1 vibre et se déplace, la capacité de son transducteur varie. Comme la charge au noeud N est constante, cette variation de la capacité modifie en conséquence la répartition de la charge électrique entre les capacités des deux transducteurs. Cette variation de charge engendre une variation de tension sur le noeud N, traduite par les transducteurs en une variation de force générée sur les résonateurs. Ainsi, un déplacement d'un des résonateurs engendre une force sur l'autre et vice-versa. Les résonateurs sont donc couplés.

Il est constant que la tension de couplage engendrée sur le noeud N est proportionnelle au rapport entre la variation de capacité et la capacité totale connectée à ce dernier. Si, en outre, une capacité parasite est présente sur le noeud, cette tension est alors affaiblie, l'efficacité du couplage étant réduite en conséquence. Pour compenser cet affaiblissement, des tensions de polarisation plus élevées sont alors nécessaires.

En raison du fait que les capacités des transducteurs sont très faibles, quelques dizaines de femtofarads au plus, des connexions extérieures peuvent créer des capacités parasites supérieures d'un ou deux ordres de grandeur à ces dernières, et donc perturber sensiblement le fonctionnement du filtre.

La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients des méthodes de polarisation des micro-circuits électromécaniques, tels que les transducteurs électrostatiques, de l'art antérieur.

En particulier, la présente invention a pour objet un procédé de polarisation d'un micro-circuit électromécanique, du type micro-actionneur électrostatique, présentant un fonctionnement sensiblement linéaire.

Un tel mode opératoire est atteint par la charge du transducteur d'un tel micro-circuit électromécanique, et/ou des noeuds constitutifs de ce dernier, à une valeur de charge électrique prédéterminée, puis par le maintien de cette charge électrique à la valeur précitée, au cours du fonctionnement, indépendamment des variations des capacités des transducteurs connectées à ces derniers.

Le procédé de polarisation d'un micro-circuit électromécanique à une charge constante, objet de la présente invention, est remarquable en ce qu'il consiste à appliquer au micro-circuit électromécanique au repos une tension de polarisation sensiblement constante pendant une durée déterminée, pour charger la capacité électrique résiduelle de ce micro-circuit électromécanique à la valeur de charge électrique constante, constitutive d'une charge électrique d'initialisation, et à déconnecter le micro-circuit électromécanique de la tension de polarisation sensiblement constante, ce qui permet de conserver la charge électrique d'initialisation à la valeur de charge électrique constante, indépendamment de la variation de cette capacité électrique résiduelle au cours du fonctionnement du micro-circuit électromécanique.

Le micro-circuit électromécanique, objet de l'invention, comporte en un noeud commun une capacité électrique. résiduelle formée par une capacité électrique intrinsèque vis-à-vis de la tension de référence et par au moins une capacité élémentaire de polarisation de ce micro-circuit électromécanique reliée électriquement à ce noeud. II est remarquable en ce qu'il comporte en outre un circuit de polarisation à charge électrique constante comprenant au moins un interrupteur commandé reliant à ce noeud une borne de connexion de ce micro- circuit électromécanique, ce qui permet d'appliquer au noeud commun de ce micro-circuit électromécanique au repos une tension de polarisation sensiblement constante pendant une durée déterminée, pour charger la capacité résiduelle de

ce micro-circuit électromécanique à une valeur de charge électrique constatne, constitutive d'une charge électrique d'initialisation.

Le procédé et le micro-circuit électromécanique objets de la présente invention permettent de polariser les transducteurs constitutifs de ce dernier sans introduire de connexion électrique extérieure et donc de minimiser les capacités résiduelles sur les noeuds de signal.

Un tel mode opératoire apparaît particulièrement important pour les systèmes incorporant de tels micro-circuits électromécaniques et pour lesquels le traitement de signal, basé sur une interaction de plusieurs actionneurs, est exécuté dans les domaines mécanique et électrique.

Ils trouvent application à la mise en oeuvre de filtres micro-mécaniques en T et leur utilisation dans les domaines de l'industrie aussi variés que les modules de télécommunication mobile, les dispositifs de mesure à distance en espace confiné, les instruments biomédicaux, sous forme de circuits intégrés.

Le procédé et le micro-circuit électromécanique objets de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description et à l'observation des dessins ci-après dans lesquels outre les figures 1a à 1d, relatives à l'art antérieur, -la figure 2a représente, à titre illustratif, un organigramme des étapes de mise en oeuvre du procédé objet de la présente invention ; - la figure 2b représente, à titre illustratif, un organigramme d'un mode de mise en oeuvre spécifique du procédé objet de la présente invention représenté en figure 2a, susceptible d'être mis en oeuvre lorsque la capacité électrique résiduelle du micro-circuit électromécanique comporte une capacité électrique intrinsèque connectée entre un noeud du circuit électromécanique et la tension de référence ; - la figure 3 représente, à titre illustratif, un schéma de principe d'un micro-circuit électromécanique conformé à l'objet de la présente invention ; - la figure 4a représente, à titre illustratif, un dessin de masque de circuit intégré de l'interrupteur mis en oeuvre dans un micro-circuit électromécanique conforme à l'objet de la présente invention, tel que représenté en figure 3 ;

- la figure 4b représente, à titre illustratif, un schéma de principe du mécanisme d'auto-polarisation d'un noeud commun d'un micro-circuit électromécanique objet de l'invention tel que représenté en figure 3 ; - la figure 5 représente une série de diagrammes des caractéristiques de transmission en fonction de la fréquence, les valeurs de tension de polarisation étant prises comme paramètre de variation de la bande passante d'un micro-circuit électromécanique conforme à l'objet de l'invention, tel que représenté en figure 3 ; - la figure 6 représente à titre illustratif un schéma de filtre en T à polarisation par charge constante, conforme à l'objet de la présente invention.

Le procédé de polarisation d'un micro-circuit électromécanique à une valeur de charge électrique constante conforme à l'objet de la présente invention sera maintenant décrit en liaison avec les figures 2a et 2b.

En référence à la figure 2a, le procédé objet de l'invention consiste à appliquer, en une étape A, au micro-circuit électromécanique au repos une tension de polarisation sensiblement constante à un noeud de signal Ni pendant une durée déterminée notée Ti pour charger la capacité électrique résiduelle du micro-circuit électromécanique au noeud Ni précité à la valeur de charge électrique constante qi. Cette charge électrique constitue une charge électrique d'initialisation du micro-circuit électromécanique.

L'étape A est alors suivie d'une étape B consistant à déconnecter le micro-circuit électromécanique de la tension de polarisation sensiblement constante Vj. Ceci permet de conserver la charge électrique d'initialisation qi à la valeur de charge électrique constante, indépendamment de la variation de la valeur de la capacité électrique résiduelle au cours du fonctionnement du micro- circuit électromécanique.

D'une manière générale, en référence à la figure 2a, on indique que le procédé objet de l'invention consiste en outre à commander la durée de la charge de la capacité électrique résiduelle à une valeur spécifique de tension de charge initiale de cette capacité pendant la durée Ti. Ceci permet d'ajuster en fonction de la tension de charge initiale Vu lia fonction de transfert atténuation/fréquence, fréquence centrale, largeur de bande passante du circuit du micro-circuit électromécanique considéré.

On conçoit, en particulier, qu'à partir de la tension initiale Vi et de la durée de charge Ti, la charge électrique d'initialisation qi vérifie la relation : Application Vi, Ti qi = f(Vi, Ti) En outre, ainsi que représenté en figure 2b, pour une capacité électrique résiduelle du micro-circuit électromécanique comportant une capacité électrique intrinsèque connectée entre un noeud Ni du micro-circuit électromécanique et la tension de référence de ce micro-circuit électromécanique, le procédé objet de l'invention consiste avantageusement en une étape C, suite à la déconnexion de ce micro-circuit électromécanique de la tension de polarisation sensiblement continue à l'étape B, à amener le potentiel électrique du noeud Ni à la tension de référence pour décharger totalement la capacité intrinsèque précitée et amener la charge électrique d'initialisation qi à une valeur de charge électrique d'initialisation réduite qir fonction de la capacité résiduelle précitée.

D'une manière générale, on indique que par capacité électrique résiduelle du circuit électro-mécanique on entend toute capacité élémentaire de polarisation du micro-circuit électromécanique reliée électriquement au noeud ainsi que toute capacité électrique intrinsèque formée par exemple par une capacité parasite externe ou interne connectée entre un noeud du circuit électromécanique et la tension de référence du micro-circuit électromécanique précité.

En conséquence, l'étape C de la figure 2b consiste à amener la tension Vi sensiblement à la valeur 0 pour amener la charge électrique d'initialisation qi à une valeur résiduelle notée q, r.

Un exemple de mise en oeuvre d'un micro-circuit électromécanique conforme à l'objet de la présente invention sera maintenant donné en liaison avec la figure 3.

En référence à la figure 3 précitée, on considère le micro-circuit électromécanique objet de l'invention comportant en un noeud commun Ni une capacité électrique résiduelle formée par exemple par une capacité intrinsèque vis-à-vis de la tension de référence et par au moins une capacité élémentaire de polarisation de ce micro-circuit électromécanique relié électriquement au noeud Ni.

Ainsi que représenté sur la figure 3 précitée, le micro-circuit électromécanique comporte en outre un circuit de polarisation à charge électrique constante comprenant au moins un interrupteur commandé, noté 1, reliant le noeud Ni à une borne de connexion notée Eo1 du micro-circuit électromécanique considéré. Le noeud commun. Ni comporte en fait deux transducteurs notés résonateur Res. 1et résonateur Res. 2, auxquels sont appliquées les tensions de polarisation Ep1 respectivement Ep2 ainsi qu'un signal d'entrée Vin par l'intermédiaire d'une résistance Rs alors que le résonateur 1 est chargé par une résistance de charge RL.

L'interrupteur 1 permet d'appliquer au noeud commun Ni du micro- circuit électromécanique au repos une tension de polarisation Vi sensiblement constante pendant la durée Ti déterminée pour charger la capacité résiduelle du micro-circuit électromécanique à une valeur de charge électrique constante, constitutive d'une charge électrique d'initialisation, ainsi que mentionné en relation avec le procédé objet de l'invention décrit en figures 2a et 2b.

Ainsi que représenté sur la figure 3, le micro-circuit objet de l'invention comprend en outre un module de commande MI de la durée de charge de la capacité électrique résiduelle à une valeur de tension de charge initiale de cette capacité. Ceci permet d'ajuster en fonction de la tension de charge initiale la fonction de transfert d'atténuation/fréquence, fréquence centrale, largeur de bande passante du circuit électronique.

Sur la figure 3, le module de commande de la durée de charge de la capacité électrique résiduelle à une valeur de tension de charge initiale est notée MI et représentée en traits pointillés afin de ne pas surcharger le dessin.

En effet, le module de commande précité MI et l'interrupteur I peuvent être constitués par un interrupteur commandé temporisé à l'ouverture, cet interrupteur pouvant par exemple être un interrupteur programmable.

Enfin, le micro-circuit électromécanique objet de l'invention, tel que représenté en figure 3, peut comporter en outre un interrupteur commandé temporisé à l'ouverture noté l', cet interrupteur étant connecté entre le noeud commun Ni, et la tension de référence, en parallèle sur la capacité électrique intrinsèque par exemple. Ce deuxième interrupteur optionnel est également représenté en pointillés sur la figure 3.

Ceci permet, suite à la charge de la capacité résiduelle à la charge électrique d'initîalisation qi de ramener la charge électrique d'initialisation à une charge d'initialisation réduite qui,, cette charge d'initialisation réduite étant fonction de la capacité élémentaire de polarisation et de la tension de polarisation appliquée à cette capacité élémentaire de polarisation. Ce mode opératoire permet d'ajuster en fonction de la tension de charge initiale et de la charge d'initialisation réduite, par la durée T'i de fermeture de l'interrupteur l', la fonction de transfert atténuation/fréquence, fréquence centrale largeur de bande passante du circuit électromécanique objet de l'invention considérée.

Le micro-circuit électromécanique, objet de l'invention tel que représenté en figure 3 met en oeuvre le procédé de réduction des"gaps"ou entrefers des transducteurs post-fabrication décrits dans l'article intitulé"High frequency high-Q micro-mechanical resonators in thick epipoly technology with post-process gap adjustment"MEMS 2002, Las Vegas, Janvier 2002 publié par D. Galayko, A. Kaiser, B. Legrand, C. Combi, D. Colas, L. Buchaillot.

Les électrodes des tranducteurs de résonateurs sont raccordées à un ressort et sont attirées vers les résonateurs par un actionnement électro-statique.

Ainsi, la distance entre les électrodes et les résonateurs est réduite. Le moteur de l'électrode commune réduit le"gap"ou entrefer séparant les deux transducteurs.

Une description plus détaillée de l'interrupteur à actionnement électrostatique constituant l'interrupteur 1, le cas échéant l'interrupteur l', représentés en figure 3 est donné en liaison avec la figure 4a.

L'interrupteur précité comporte avantageusement une électrode de moteur notée EM, un ressort R et des butées de sécurité notées BS. Les électrodes de contact EC1 et Ec2 sont bien entendu séparées et solidaires d'un contact fixe respectivement d'un contact rriobile solidaire du ressort R.

Le fonctionnement de l'interrupteur I ou de l'interrupteur l'est similaire au fonctionnement du moteur de réduction de"gap"ou entrefer, sauf que la géométrie de ce dernier est conçue de sorte que, suite à la déformation du ressort R, les électrodes de contact Eci et EC2 sont mises en contact électrique physique de façon à assurer la connexion d'un noeud Ni soit à la tension de polarisation Eo1, soit à la tension de référence dans le cas de l'interrupteur 1'.

Le mécanisme de polarisation du micro-circuit électromécanique tel que représenté en figure 3 sera maintenant explicité en liaison avec la figure 4b.

Sur les figures précitées, seules les capacités des transducteurs notées C10 respectivement C20 sont représentées et correspondent aux capacités des résonateurs Res. 1 et Res. 2 précédemment décrits en liaison avec la figure 3. La capacité parasite sur le noeud commun est représentée et désignée par Cp.

Une fois que l'interrupteur I est fermé, les capacités précitées se chargent électriquement, de sorte que la tension du noeud commun Ni soit sensiblement égale à cette de la source Eo1. La charge sur le noeud commun Ni répartie entre les trois capacités est donc sensiblement nulle.

Lorsque la source Eo1 est déconnectée du noeud commun Ni par l'intermédiaire de l'interrupteur 1, la charge précitée reste constante quels que soient les déplacements des résonateurs et quelle que soit la variation de capacité des transducteurs C10 et C20. La polarisation ainsi obtenue, pour le micro-circuit électromécanique considéré, est désignée polarisation à charge constante.

Dans le micro-circuit électromécanique tel que représenté en figure 3, la capacité parasite Cp s'est révélée largement supérieure aux capacités des transducteurs C10 et C20 en raison de la présence d'un grand ressort de moteur.

Dans un tel cas, et en référence aux schémas de la figure 4b, la tension sur le noeud commun Ni est essentiellement déterminée par la charge initiale de la capacité Cp et dépend peu, en définitive, des tensions de polarisation des résonateurs Vgi et VB2.

En déchargeant de manière sensiblement complète la capacité Cp par l'intermédiaire du deuxième interrupteur l'par exemple, il est ainsi possible d'assurer une polarisation sensiblement nulle du noeud commun Ni.

Le micro-circuit électromécanique ainsi mis en oeuvre a montré un fonctionnement stable et robuste.

La figure 5 présente des exemples de caractéristiques de transmission obtenues pour un micro-circuit électromécanique conforme à l'objet de l'invention aux points a, b et c.

Les graphiques représentés aux points précités à la figure 5 sont représentés en niveau de transmission en dB pour l'axe des ordonnées respectivement en fréquence pour l'axe des abscisses. Les fréquences sont mesurées en MHz.

Sur chacun des diagrammes représentés aux points a, b et c de la figure 5, les paramètres précités désignent : - BW la largeur de bande exprimée en Hz pour la fonction de transfert ; - obi et Vb2 désignent les tensions de polarisation appliquées à chacun des résonateurs Res. 1, respectivement Res. 2 ; - P désigne la pression en Torr d'environnement du micro-circuit électromécanique considéré.

En observation des diagrammes représentés aux points a, b, c de la figure 5, on peut constater que la largeur de bande passante du circuit correspondant varie suivant les tensions de polarisation.

Conformément au procédé de polarisation objet de la présente invention, on peut ainsi ajuster les caractéristiques fréquentielles du circuit de traitement obtenu, et, en particulier, la valeur de largeur de bande passante en fonction du mode de polarisation à charge constante mis en oeuvre conformément au procédé objet de la présente invention.

Une architecture spécifique d'un micro-circuit électromécanique conforme à l'objet de la présente invention spécialement adaptée à la mise en oeuvre d'un filtre électromécanique, en particulier d'un filtre en T, sera maintenant donnée en liaison avec la figure 6.

D'une manière générale, pour former un filtre électromécanique, le micro-circuit électromécanique objet de l'invention comprend avantageusement une pluralité de transducteurs électrostatiques notés Res. 1, Res. 2, Res. 3 sur la figure 6, ces transducteurs électrostatiques étant connectés à un noeud commun noté Ni.

II comporte en outre au moins un interrupteur commandé, l'interrupteur I reliant une borne d'entrée du filtre électromécanique et le noeud commun Ni, la borne du filtre électromécanique étant notée Eo1.

L'interrupteur I permet d'appliquer bien entendu au repos une tension de polarisation sensiblement constante pendant une durée déterminée.

Dans le mode de réalisation représenté en figure 6, on indique que, les trois transducteurs électrostatiques Res. 1, Res. 2 et Res. 3 sont connectés mécaniquement au noeud commun Ni pour former un filtre micromécanique en T.

Le premier transducteur Res. 1 reçoit, sur une électrode d'excitation, un signal d'entrée noté Vi, par l'intermédiaire d'une résistance de signal Rs, le

deuxième transducteur Res. 2 comporte, sur une électrode de sortie, une impédance de charge RL destinée à délivrer un signal de sortie et le troisième transducteur Res. 3 comporte une électrode connectée à la tension de référence.

L'électrode libre de chaque transducteur est connectée au noeud commun Ni ainsi que représenté sur la figure 6. Bien entendu, l'interrupteur I peut être mis en oeuvre ainsi que représenté en figure 4a.

Enfin, le noeud commun Ni peut être relié à une première borne d'entrée connectée à une source de tension continue, la tension Vs respectivement à la tension de référence par l'intermédiaire d'un commutateur commandé temporisé noté C. Ceci permet d'ajuster la charge électrique et la tension électrique appliquée au noeud commun Ni par contrôle de charge respectivement de décharge de la capacité électrique résiduelle du micro-circuit électromécanique conforme à l'objet de la présente invention.

Sur la figure 6, on a représenté ainsi l'interrupteur I relié à un commutateur externe C permettant d'appliquer soit la tension continue, soit au contraire la tension de référence par l'intermédiaire de l'interrupteur I précédemment décrit dans la description. Ce mode de réalisation n'est aucunement limitatif, l'intégration directe d'un commutateur en lieu et place de l'interrupteur I et du commutateur externe C pouvant, le cas échéant, être envisagé.

On a ainsi décrit un procédé de polarisation d'un micro-circuit électromécanique à une valeur de charge électrique constante et un micro-circuit électromécanique correspondant particulièrement performants, dans la mesure où, appliqué à des résonateurs à actionnement électrostatique, ceux-ci permettent de contrôler les paramètres de fonctionnement de ces derniers par l'intermédiaire de tension de polarisation.

De nombreuses applications peuvent être prévues à partir d'une propriété aussi remarquable, en particulier celle de l'application à des filtres à bande passante variable, ou à tout le moins ajustable, par simple ajustement de la tension de polarisation ainsi que montré en liaison avec la figure 5 aux points a, b et c de celle-ci.