WO2013150013A1 - Dispositif de commande de nems a module numerique de retard - Google Patents

Dispositif de commande de nems a module numerique de retard Download PDF

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WO2013150013A1 PCT/EP2013/056912 EP2013056912W WO2013150013A1 WO 2013150013 A1 WO2013150013 A1 WO 2013150013A1 EP 2013056912 W EP2013056912 W EP 2013056912W WO 2013150013 A1 WO2013150013 A1 WO 2013150013A1
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Gérard Billiot
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems ; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/008—MEMS characterised by an electronic circuit specially adapted for controlling or driving the same
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/06—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/08—Details of the phase-locked loop
    • H03L7/081—Details of the phase-locked loop provided with an additional controlled phase shifter
    • H03L7/0812—Details of the phase-locked loop provided with an additional controlled phase shifter and where no voltage or current controlled oscillator is used
    • H03L7/0816—Details of the phase-locked loop provided with an additional controlled phase shifter and where no voltage or current controlled oscillator is used the controlled phase shifter and the frequency- or phase-detection arrangement being connected to a common input

Definitions

  • the present application relates to the field of electromechanical systems and in particular that of MEMS (MEMS for “Micro Electro Mechanical System” or electromechanical micro-systems) or NEMS (NEMS for “Nano Electro-Mechanical System” or nano-electromechanical systems ).
  • MEMS Micro Electro Mechanical System
  • NEMS Nano Electro-Mechanical System
  • It provides a feedback device with a programmable delay module (s) for oscillation and / or oscillation of a MMS or NEMS component.
  • s programmable delay module
  • the control device according to the invention adapts to a large range of NEMS or M EMS.
  • a movable element 15 which can be for example in the form of a beam or a bar of nanometric size intended to vibrate or to oscillate (FIGS. 1B).
  • This movable element 15 is set in motion by means of electrostatic actuation means comprising a network of connections on which an excitation signal is applied, the network of connections terminating in one or more pads 21, 22 arranged in the vicinity of the movable element 15.
  • the excitation signal is generally a high frequency signal or having a frequency greater than 100 kHz.
  • Detection means which may be, for example, piezoresistive detection means comprising piezoresistive gauges make it possible to detect the electrical signal generated by the movements of the mobile element 15.
  • These detection means may comprise a pad 28 connected to a conductive line for taking a detection signal translating a movement of the movable member.
  • the device may also comprise polarization means provided with pads 24, 25, on which a polarization signal, generally in the form of a DC voltage, is applied.
  • polarization means provided with pads 24, 25, on which a polarization signal, generally in the form of a DC voltage, is applied.
  • a High Gain-Bandwidth Product Transimpedance Amplifier for MEMS-Based Oscillators Nabki et al., IEEE 2008, for example discloses a MEMS resonator having a movable element in the form of a beam and arranged in a loop. feedback with a transimpedance amplifier.
  • CMOS Nickel Micromechanical Resonator Oscillator presents a MEMS device with a movable element in the form of movable plates joined together by beams and which can be integrated into a feedback loop. comprising a modulable gain transresistance amplifier.
  • CMOS MEMS Oscillator for Gas Chemical Detection discloses meanwhile a microelectronic device equipped with a MEMS resonator and a pre-amplifier, a phase compensation amplifier and a spectrum analyzer forming a closed-loop system.
  • the phase shift generated by this circuit may itself be variable depending on the oscillation frequencies of the MEMS. With such a control circuit, for high frequencies, the analog delay circuit is likely to introduce a significant attenuation of the signal for exciting the MEMS.
  • the document "Digital Oscillator Circuit using Synchronous Driving Driving", Roubicek et al., IEEE 2008 presents a control device of a feedback loop electromechanical system in which a digitization is implemented, the device being provided with a means for introducing a phase shift.
  • the present invention firstly relates to a device for controlling a MEMS electromechanical microsystem or an NEMS electromechanical nano-system comprising a feedback loop provided with:
  • the digital signal at the output of the digitizing means and the signal which is re-injected at the input of the electromechanical system are thus advantageously of the same frequency and out of phase with a phase shift corresponding to the programmed delay introduced by means of the delay module.
  • the programmable delay module is configured so that, in order to induce a delay to the digital signal, it does not require, in contrast to the devices according to the prior art, to perform a frequency synthesis.
  • the digitization means may be in the form of a comparator.
  • a known and controlled phase shift is implemented.
  • a digitization of said given signal which it is desired to delay and said delay module makes it possible to introduce a phase shift without attenuating this signal and independently of the frequency of the signal.
  • control device can adapt to a large range of MEMS and / or NEMS.
  • the delayed digital signals can be a first frequency signal equal to the resonance frequency of the MEMS or NEMS and a second frequency signal equal to the resonance frequency of the MEMS or NEMS.
  • the first signal and the second signal preferably having the same amplitude and being in phase opposition.
  • the programmable delay module may include:
  • selection means for selecting at least one phase-shifted signal from said plurality of out-of-phase signals
  • frequency selection means between a frequency equal to the frequency of said input signal and a frequency equal to half the frequency of said input signal, the signal (s) transmitted at the output of said programmable delay module having a phase shift equal to the phase shift of said phase-shifted signal and a frequency equal to the frequency or half the frequency of said input signal.
  • the programmable delay module may further comprise means forming a phase-locked loop,
  • the means for providing a plurality of out-of-phase signals comprising a voltage-controlled delay line having a first input receiving said digital signal and outputting a feedback signal, the control voltage of the delay line depending on a difference between said digital signal and said return signal.
  • the delay introduced by the delay module is thus a slaved delay independent of the voltages and the amplitude of the signal delivered at the input of the latter.
  • the control device may further comprise: frequency measuring means of said digital signal.
  • the controller may further include a configuration selection module having a first input connected to the digitizing means and a second input, the configuration selection module being also provided with a first output and a second output. second output connected to the programmable delay module.
  • the configuration selection module can be provided to adopt:
  • the configuration selection module can thus make it possible to place the feedback loop in an open loop configuration, in which delay measurements introduced by the elements of the control device can be made, and in another closed loop configuration.
  • the configuration selection module can be provided so that:
  • Tp (cs / sT) - ⁇ nfig2 the propagation time of a signal in said second configuration between the first input and the first output
  • Tp (AND / Ec) -confi g 2 the propagation time of a signal in said second configuration between the second input and the second output
  • Tp ( cE / cs) -configi Tp (C s / sT) -config2
  • Tp (C E / cs) -configi at least ten times or at least one hundred times lower than Tp (cs / sT) - ⁇ nfig2-
  • Tp ( cE / cs) -configi Tp ( ET / cE) -config2 we mean that Tp (CE / cs) -configl 3 U at least ten times or at least one hundred times lower than Tp ( E T / cE) - confi g 2-
  • Tp ( cs / sT) -config2 and Tp ( AND / cE) -config2 can be for example of the order of several nanoseconds.
  • Tp (Ec / cs) -confi g i can be for example of the order of several picoseconds for example of the order of one or several hundreds of picoseconds.
  • the controller may further include:
  • said given delay being selected such that: n / (Fr) - (Tp (E T / sT) -confi g i
  • n is an integer and Fr is the resonance frequency of M EMS or NEMS.
  • the controller may further include: an output interface provided with load adapter and / or voltage level means at the output of the programmable delay module.
  • the present invention also relates to a microelectronic device comprising at least one MMS or at least one NEMS and a control device as defined above.
  • FIGS. 1A and 1B illustrate an example of a N EMS device with electrostatic excitation and piezoresistive detection
  • FIG. 2 illustrates a first exemplary implementation of a control device according to the invention designed to deliver excitation signals to a MEMS or NEMS device, the control device being in the form of a feedback loop. equipped with a programmable digital delay module for imposing a given phase shift on the excitation signals delivered to the MEMS or NEMS,
  • FIG. 3 illustrates a second exemplary implementation of the control device according to the invention, the latter being provided with a configuration selection module making it possible to place the control device in an open-loop configuration or in a configuration closed loop,
  • FIG. 4 illustrates an exemplary implementation of a filter amplification chain implemented in an exemplary device according to the invention
  • FIG. 5 illustrates an exemplary comparator implemented in an exemplary device according to the invention
  • FIG. 6 illustrates an exemplary embodiment of a programmable delay module within an exemplary device according to the invention
  • FIG. 7 illustrates an exemplary embodiment of a configuration selection module within a device according to the invention for controlling the excitation of a MEMS or of an NEMS, the configuration selection module being adapted to switch between a first configuration in which the control device is in a closed loop and a second configuration in which the control device is in an open loop,
  • FIGS. 8A-8B illustrate the operation of a frequency measurement block within an exemplary device according to the invention
  • FIG. 9 illustrates the operation of an output interface of the programmable delay module in an exemplary device according to the invention.
  • FIG. 1 A first example of a control device, implemented according to the invention, is illustrated in FIG.
  • This control device makes it possible to carry out an excitation of a MEMS or of an NEMS, for example an NEMS or MEMS resonator, in order to put the latter in oscillation and / or to keep the latter in oscillation.
  • the control device may be in the form of a feedback loop comprising firstly a first stage 120 or a module 120 comprising a gain-filtering chain which may be analog and allow amplification of a signal S A issued by a resonator 110 MEMS or NEMS.
  • This chain may be formed of a differential amplifier or a transimpedance amplifier or TIA ("TIA" for transimpedance) and / or one or more low-pass filters, and / or high-pass.
  • TIA transimpedance amplifier
  • FIG. 4 An exemplary embodiment of the filter gain chain of the first stage 120 is given in FIG. 4 and comprises a transimpedance amplifier 122, at the output of which are means 124 forming an adjustable low-pass filtering. At the output of the means performing an adjustable low-pass filtering 124, there are also provided means 126 performing an adjustable high-pass filtering.
  • An amplified signal S B is thus derived from the first stage 120 and is digitized by means of digitization comprising a voltage comparator 130 which is, for example, asynchronous.
  • the comparator 130 is said to be “asynchronous" insofar as it is not sampled by a reference clock.
  • the comparator 130 may comprise a differential amplifier provided with inputs E + and E- formed of transistors M i, M 2 , M 3 , M 4 , M 8 , M 5 .
  • the comparator 130 may also be formed of a gain stage comprising transistors M 7 , M 6 .
  • the gain stage is followed by a series of inverters 131, 133, 135 for performing charge matching with the next stage of the control device.
  • a digital signal S c is delivered. This digital signal S c can be used by a digital block 150 making it possible to measure the frequency of the digital signal S c .
  • FIG. 8A An exemplary embodiment of a frequency measurement block 150 is illustrated in FIG. 8A.
  • the measurement implemented by this block 150 may be a measure of the average oscillation period.
  • the frequency measurement block 150 can be formed of two main modules 153, 155 which can be produced using synchronous counters.
  • a first module 155 of the block 150 is a divider by 2 power N.
  • a reference signal Href at a reference frequency F RE F for example of a value of 1024 MHz.
  • An AND gate 151 receives the digital signal Sc on a first input and the signal Smes from the first module 155 on a second input. This AND gate 151 delivers a signal to an input E1 of a second module 153 of the block 150.
  • the second module 153 of the block 150 is formed of a synchronous counter, triggered for example on rising edge, that is to say that each rising edge applied to its input El, the value stored in the counter is incremented by 'a unit.
  • Another reset input of the second module 153 allows the reset of the counter value.
  • An output Si delivers the current value of the counter.
  • Ci 0 , C 20 , C 30 and C 40 timing diagrams representative respectively of the reset signal RAZ of the second module 153, the output signal Smes of the first module 155, the output signal of the AND gate delivered at the input E1 of the second module 153, of the output data signal of the second module 153, are given in FIG. 8B, and illustrate the operation of the frequency measurement module 150.
  • the measurement can take place in 3 phases: According to a first so-called “initialization” phase, the synchronous counter 153 is initialized via the reset signal RAZ.
  • Txm (0.5 * Tmes) / M.
  • the period of Tmes is 2048 ⁇ et and the duration of the high level is 1024 ⁇ .
  • Periodic or permanent measurement can be implemented.
  • the result of this measurement can be stored in a memory.
  • the digital signal S c is also fed into a module 170 forming a programmable delay cell allowing for example to generate one or more digital signal S D output i, S D2 with a known delay with respect to the input signal S c, this delay being adjustable or programmable, and selected from a plurality of predetermined delays.
  • the delay introduced into the feedback loop makes it possible to compensate for the one generated by the other elements of the loop and to deliver a signal or excitation signals to the resonator according to a determined phase shift corresponding to the oscillation conditions of the resonator.
  • the module 170 makes it possible to induce a delay independent of the frequency of the signal detected at the output of the MEMS or NEMS.
  • the module 170 also makes it possible to induce a delay without attenuation of the signal entering this module.
  • the programmable delay module 170 may be formed using a DLL architecture (DLL for "Delay Locked Loop”) as shown for example in FIG. 6.
  • DLL Delay Locked Loop
  • the module 170 comprises a phase comparator 172, a charge pump 174, a voltage-controlled delay line 177 and a decoder 179.
  • the phase comparator 172 when activated by a signal EN, compares the input signal Is used as a reference and a signal Sdly corresponding to the last signal generated at the end of the delay line 177.
  • the phase comparator 172 delivers two logical signals UP and DOWN, which are the image of the phase shift between the two signals Se and Sdly intended to be synchronized.
  • the logic signals UP and DOWN have different durations.
  • both signals Se and Sdly are in phase, the loop is locked.
  • the difference in duration between the UP and DOWN signals is converted by the charge pump 174 into a proportional voltage Vcp which controls the delay line 177.
  • This delay line 177 receives as input the signal Se delivered by the preceding stage of the loop as well as the DC voltage Vcp delivered by the charge pump converter 174.
  • the delay line 177 is thus capable of delivering multiple, in particular 2 k, delayed signals determined, for example 2 6 delayed signals, respectively to the outputs OUT1, ..., OUT64, the delay line 177.
  • a first output OUT1 when selected, allows for example to deliver a zero delay
  • a 64 th output OUT64 when selected, allows for example to deliver a delay equal to the period of the signal Se by example 50ns and the intermediate outputs can deliver a delay for example between 0.1 ns and 50 ns, for example of the order of 20 ns.
  • the decoder 179 makes it possible to select a given M ' th given output OUT M among the outputs OUT1, ..., OUT64, of the delay line 177 and to deliver a first signal S D i coming from this given output OUT M as a function of the command indicated by the SLRi, ..., SLR 6 selection signals.
  • the decoder 179 may also be provided for outputting a second signal S D2 of frequency and amplitude equal to that of the first signal S D i but out of phase with respect to S D i by a predetermined phase shift, for example in quadrature of phase or in phase opposition with the first signal S D i, according to the selected excitation mode of the resonator.
  • a first mode of excitation of the resonator 110 in which a signal is applied to the resonance frequency Fr of phase 0 ° on a first pad called “excitation” of the MEMS resonator or NEMS and a signal equal to half the frequency 180 ° phase Fr / 2 resonance on a second so-called “excitation” pad of the resonator 110 MEMS or NEMS may be provided.
  • a second excitation mode of the resonator may be provided so that a signal S E i of frequency Fr / 2 and of phase 0 ° is applied to the first pad of the resonator and a signal S E2 to Fr / 2 of phase 90 ° on the second excitation pad.
  • This second mode of excitation makes it possible to maximize the gain.
  • the transition from the first excitation mode to the second excitation mode can be performed using a selection bit SL F of the decoder 179.
  • the signals S D i and S D2 delivered at the output of the delay module 170 may respectively have a phase of (360 ° * M) / 64 and a phase of ((360 ° * M / 64) + 180 °) and an excitation frequency Fe.
  • the signals S D i and S D2 may respectively have a phase of (360 ° * N) / 64 and a phase of ((360 ° * N) / 64 + 90 °) and a frequency equal to Fe / 2.
  • the introduced delay or phase shift is adjustable in a wide range of delays or phase shifts and valid regardless of the phase shifts introduced by each block or module of the feedback loop.
  • the amplitude of the signals S D i and S D2 does not vary as a function of the frequency range in which the resonance frequency of the MEMS 110 or the NEMS 110 is located.
  • a controlled delay is introduced which is independent of the supply voltages of the control device.
  • the S i delayed signals, S D2 output from the programmable delay stage 170 and may or may then be shaped by a module 190 to output interface to be applied to excitation means of the resonator 110 .
  • This shaping module 190 makes it possible to generate the signals S E i , S E2 having voltage levels adapted to the resonator and serving as excitation signals intended to actuate the resonator.
  • the output interface module 190 makes it possible to adapt in level and load the output signal (s) D i , S D2 of the programmable delay module 170 to excitation means of the resonator.
  • This output interface 190 may be implemented by means of one or more inverters and one or more level translators.
  • FIG. 9 An exemplary embodiment of an output interface module 190 is given in FIG. 9.
  • This module may be formed of buffers commonly called input “buffers” 191, 192, intended to receive digital signals in a first range of amplitudes or voltages, for example of the order 1 volt, of a translator.
  • the module 190 is designed to output signals amplified in amplitude to output buffers 195, 196.
  • the module 190 is adapted to transmit signals in a second range of amplitudes or voltages greater than the first range and for example of the order 3 Volts.
  • the module 190 receives digital signals and delivers digital or analog signals. The digital analog conversion is performed internally or at the output of the module 190, for example by filtering.
  • the signals S E i, S E2 are delivered to the excitation pads 21 and 22 located near the moving element 15.
  • the programmable delay module makes it possible to establish a constant phase shift between the input of the first stage and the excitation signals S E i, S E2 .
  • control device comprises, between the scanning means 130 and the delay module 170, a configuration selection module 210 adapted to switch between a first configuration in which the feedback loop has a first configuration or a first configuration. arrangement, and a second configuration in which the feedback loop has a second configuration or a second arrangement.
  • the first configuration may allow the controller to be placed in a closed loop configuration while the second configuration may be for placing the device in an open loop configuration.
  • the configuration selection module 210 comprises a first input CS connected to the output of the comparator 130 and a second input AND on which a test signal is intended to be applied.
  • the configuration selection module 210 is also provided with a first ST output by which a test signal is to be taken and a second output CE connected to the programmable delay module 170.
  • the configuration selection module 210 is provided to adopt a first configuration in which the first input CS is connected to the first output ST and the second input AND is connected to the second output CE.
  • the selection module 210 configuration is also provided to adopt a second configuration in which the first input CS is connected to the second output CE, the second input AND being connected to the first output ST.
  • FIG. 7 An example of implementation of such a configuration selection module is given in FIG. 7.
  • the transition from the first configuration to the second configuration can be performed according to the state of a configuration selection logic signal S sc .
  • This module 210 may be formed of multiplexers 2 to 1, 213 and 215 and buffers 211, 217.
  • the module 210 On its first input CS, the module 210 is capable of receiving a digital signal Se coming from the comparator 130.
  • the first input CS of the module 210 is connected to an input '1' of a first multiplexer 213 of type 2 to 1, while that the second AND input of the module 210 is connected via the buffer 211 to an input '0' of the first multiplexer 213.
  • This first multiplexer 213 is designed to transmit at the output S one of its two inputs CS and AND, for example according to the following truth table:
  • Another buffer 217 is provided at the output of the first multiplexer 213.
  • the first input CS of the module 210 is also connected to an input '0' of a second multiplexer 215 of type 2 to 1, while the first input AND of the module 210 is connected to an input '1' of the second multiplexer 215.
  • This second multiplexer 215 is also designed to transmit at the output S one of its two inputs CS and AND, for example by following the following truth table.
  • the configuration selector module 210 may also be designed so that, in particular, the buffers 211 and 217 may be provided so that propagation delays or delays between the inputs ET, CS and the outputs ST, CE follow the relations rl and r2 following:
  • Tp (ET / ST) -config1 Tp (cs / ST) -config2 + Tp (AND / CE) -config2 (rl)
  • Tp (cs / sT) -config g 2 the propagation time of a signal in configuration 2 of the module 210 between the input CS and the output ST
  • Tp ( cs / cE) -configi Tp (C s / sT) -config2
  • Tp (C s / cE) -configi is expected at least ten times or at least one hundred times lower than Tp (cs / sT).
  • Tp ( cs / cE) -configi Tp ( ET / cE) -config2 is meant that Tp (C s / cE) -configi is expected at least ten times or at least a hundred times lower than Tp ( E T / cE). -config g 2-
  • Tp ( cs / sT) -config2 and Tp ( AND / cE) -config2 can be for example of the order of several nanoseconds.
  • Tp (cs / cE) - ⁇ nfigi can be for example of the order of several picoseconds for example of the order of one or more hundreds of picoseconds.
  • this configuration selection module 210 it is possible to perform an evaluation of the delay or phase shift introduced by the module 170 and which is intended to be selected in order to make it possible to oscillate the resonator and / or maintaining oscillation of the latter.
  • a method of determining the delay or phase shift to be selected and produced by the module 170 may be as follows:
  • the resonant frequency Fr of the resonator 110 is first determined by one or more previous measurements.
  • the resonance frequency Fr can be determined, for example, by a direct measurement on the MEMS or the NEMS. In the case where the resonator studied is of the type described in connection with Figure 1, the measurement can be performed on the detection pad 28 of the latter. A determination of the local maximum of the transfer function makes it possible to indicate the resonance frequency Fr.
  • the programmable delay block 170 is programmed to introduce a zero delay, while the configuration selector 210 is placed in the second configuration.
  • a Tesbo delay is then determined between the second AND input and the first ST output, when the configuration selector module 210 is in the second configuration and the controller is open-loop.
  • the delay Tesbo is such that:
  • Tesbo Tp ( cs / sT) -config2 + Tp ( ET / cE) -config2 + Tbo, with Tbo the delay generated by the rest of the modules and circuits of the device.
  • Tbo Tesbo - Tes (if relation rl verified).
  • the ideal delay Ti to be generated by the programmable delay block is determined to ensure that:
  • a "possible" delay Tr is then determined among all the programmable delays of the delay module.
  • the delay Tr is chosen equal to k * (Tretard max / total number of elementary delays), where k is an integer corresponding to the number of elementary delays selected by the value of the SLF input (Tretard max being equal to 1 / Fr or one multiple of 1 / Fr).
  • the number k of elementary delays retained is such that Tr is as close as possible to T1, Tr being able to be chosen lower or higher than T1.
  • One or more of these steps can be performed by means of a microprocessor associated with one or more digital processing modules, or with the aid of a computer processing device, for example a computer.
  • the configuration selection module 210 is placed in the first configuration, so as to be placed in a closed loop.
  • the first AND input can then be set to a defined state.
  • a digital delay by providing a register whose data is managed in FIFO mode.
  • a register length for example of 50 clocked by a 1 GHz clock can be provided.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Description

DISPOSITIF DE COMMANDE DE NEMS A MODULE NUMERIQUE DE RETARD
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ART ANTÉRIEUR
La présente demande concerne le domaine des systèmes électromécaniques et en particulier celui des M EMS (MEMS pour « Micro Electro- Mechanical System » ou micro-systèmes électromécaniques) ou des NEMS (NEMS pour « Nano Electro-Mechanical System » ou nano-systèmes électromécaniques).
Elle prévoit un dispositif de rétroaction doté d'un module(s) de retard programmable permettant la mise en oscillation et/ou le maintien en oscillation d'un composant M EMS ou NEMS.
Le dispositif de commande suivant l'invention s'adapte a une gamme importante de NEMS ou de M EMS.
ART ANTÉRIEUR
Parmi les dispositifs NEMS existants, ceux appelés « Cross-Beam » sont dotés d'un élément mobile 15 qui peut être par exemple sous forme d'une poutre ou d'un barreau de taille nanométrique destiné à vibrer ou à osciller (figures 1A et 1B).
Cet élément mobile 15 est mis en mouvement par le biais de moyens d'actionnement électrostatiques comprenant un réseau de connexions sur lequel un signal d'excitation est appliqué, le réseau de connexions se terminant par un ou plusieurs plots 21, 22 disposés à proximité de l'élément mobile 15.
Le signal d'excitation est généralement un signal haute fréquence ou ayant une fréquence supérieure à 100 kHz.
Des moyens de détection, qui peuvent être par exemple des moyens de détection piézo-résistifs comprenant des jauges piézo-résistives permettent de réaliser une détection du signal électrique généré par les mouvements de l'élément mobile 15. Ces moyens de détection peuvent comprendre un plot 28 connectée à une ligne conductrice permettant de prélever un signal de détection traduisant un mouvement de l'élément mobile.
Le dispositif peut comprendre également des moyens de polarisation dotés de plots 24, 25, sur lesquels un signal de polarisation, généralement sous forme d'une tension continue, est appliqué.
Le document « A high Gain-Bandwidth Product Transimpedance Amplifier for MEMS-Based Oscillators », Nabki et al., IEEE 2008, divulgue par exemple un résonateur MEMS doté d'un élément mobile sous forme d'une poutre et disposé dans une boucle de rétroaction doté d'un amplificateur transimpédance.
Le document « Fully Monolithic CMOS nickel micromechanical resonator oscillator », Huang et al., MEMS 2008 présente un dispositif MEMS doté d'un élément mobile sous forme de plaques mobiles rattachées entre elles par des poutres et qui peut être intégré dans une boucle de rétroaction comprenant un amplificateur transrésistance à gain modulable.
Le document "CMOS MEMS Oscillator for Gas Chemical Détection", Bedair et al., IEEE 2004, divulgue quant à lui un dispositif microélectronique doté d'un résonateur MEMS et d'un pré-amplificateur, d'un amplificateur à compensation de phase et d'un analyseur de spectre formant un système en boucle fermé.
Pour mettre en oscillation et maintenir en oscillation un dispositif NEMS ou MEMS, des conditions appelées conditions de « Barkhausen » de gain et de déphasage doivent de préférence être remplies.
Le document US 2010/0308931 divulgue un dispositif de commande de MEMS sous forme d'une boucle de rétroaction dotée d'un circuit analogique permettant d'induire un retard ou un décalage de phase, ce décalage de déphasage étant réglable.
Le déphasage généré par ce circuit peut lui-même être variable en fonction des fréquences d'oscillation du MEMS. Avec un tel circuit de commande, pour des hautes fréquences, le circuit analogique de retard est susceptible d'introduire une atténuation importante du signal destiné à exciter le MEMS. Le document "Digital Oscillator Circuit using Synchronous Puise Driving", de Roubicek et al., IEEE 2008 présente un dispositif de commande d'un système électromécanique à boucle de rétroaction dans laquelle une numérisation est mise en œuvre, le dispositif étant doté d'un moyen pour introduire un décalage de phase.
II se pose le problème de mettre en œuvre un dispositif microélectronique de MEMS amélioré capable d'assurer la mise en oscillation pour une large gamme de fréquence et de résonateurs utilisés.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention concerne tout d'abord un dispositif de commande d'un microsystème électromécanique MEMS ou d'un nano-système électromécanique NEMS comprenant une boucle de rétroaction dotée :
- de moyens de numérisation d'au moins un signal analogique en provenance dudit MEMS ou dudit NEMS et permettant de délivrer un signal numérique,
- un module de retard programmable pour induire un retard sélectionné parmi une pluralité de retards prédéterminés audit signal numérique donné et délivrer un ou plusieurs signaux numériques retardés à des moyens d'excitation du
MEMS ou du NEMS.
Le signal numérique en sortie des moyens de numérisation et le signal qui est ré-injecté en entrée du système électromécanique sont ainsi avantageusement de même fréquence et déphasés d'un déphasage correspondant au retard programmé introduit par le biais du module à retard.
Le module de retard programmable est configuré de sorte que pour induire un retard au signal numérique il ne nécessite pas, contrairement aux dispositifs suivant l'art antérieur, de réaliser une synthèse de fréquence.
Les moyens de numérisation peuvent être sous forme d'un comparateur.
Pour remplir les conditions d'oscillation du MEMS ou du NEMS, et palier au déphasage introduit par les différents éléments d'une boucle de rétroaction, on met en œuvre un déphasage connu et maîtrisé. Une numérisation dudit signal donné que l'on souhaite retarder et ledit module de retard permettent d'introduire un déphasage sans atténuer ce signal et indépendamment de la fréquence du signal.
Ainsi, le dispositif de commande suivant l'invention peut s'adapter à une gamme importante de MEMS et/ou de NEMS.
Selon un premier mode d'excitation du NEMS ou du MEMS, les signaux numériques retardés peuvent être un premier signal de fréquence égale à la fréquence de résonance du MEMS ou NEMS et un deuxième signal de fréquence égale à la fréquence de résonance du MEMS ou NEMS, le premier signal et le deuxième signal étant de préférence de même amplitude et étant en opposition de phase.
Le module de retard programmable peut comprendre :
- des moyens pour délivrer une pluralité de signaux déphasés par rapport à un signal d'entrée dudit module de retard, lesdits signaux étant déphasés respectivement selon une pluralité de déphasages prédéterminés,
- des moyens de sélection pour sélectionner au moins un signal déphasé parmi ladite pluralité de signaux déphasés,
- des moyens de sélection de fréquence entre une fréquence égale à la fréquence dudit signal d'entrée et une fréquence égale à la moitié de la fréquence dudit signal d'entrée, le ou les signal(aux) émis en sortie dudit module de retard programmable ayant un déphasage égal au déphasage dudit signal déphasé et une fréquence égale à la fréquence ou à la moitié de la fréquence dudit signal d'entrée.
Le module de retard programmable peut comprendre en outre des moyens formant une boucle à verrouillage de phase,
les moyens pour délivrer une pluralité de signaux déphasés comprenant une ligne à retards commandés en tension possédant une première entrée recevant ledit signal numérique et délivrant un signal de retour, la tension de commande de la ligne à retards dépendant d'une différence entre ledit signal numérique et ledit signal de retour.
Le retard introduit par le module de retard est ainsi un retard asservi indépendant des tensions et de l'amplitude du signal délivré en entrée de ce dernier. Le dispositif de commande peut comprendre en outre : des moyens de mesure de fréquence dudit signal numérique.
Le dispositif de commande peut comprendre en outre un module de sélection de configuration doté d'une première entrée connectée aux moyens de numérisation et d'une deuxième entrée, le module de sélection de configuration étant doté également d'une première sortie et d'une deuxième sortie connectée au module de retard programmable.
Le module de sélection de configuration peut être prévu pour adopter :
- une première configuration, dans laquelle la première entrée est connectée à la deuxième sortie, la deuxième entrée étant connectée à la première sortie,
- une deuxième configuration dans laquelle la première entrée est connectée à la première sortie, la deuxième entrée étant connectée à la deuxième sortie.
Le module de sélection de configuration peut ainsi permettre de placer la boucle de rétroaction dans une configuration de boucle ouverte, dans laquelle des mesures de retard introduit par les éléments du dispositif de commande peuvent être réalisés, et dans une autre configuration de boucle fermée.
Le module de sélection de configuration peut être prévu de sorte que :
Tp(ET/ST)-configl = Tp(cs/ST)-config2 + Tp(ET/CE)-config2 et Tp(CE/CS)-configl = 0 OU Tp(CE/CS)- configl « Tp(cs/ST)-config2 et Tp(CE/CS)-configl « Tp(ET/CE)-config2, avec
Tp(sT/ET)-configi : le temps de propagation d'un signal dans ladite première configuration entre ladite deuxième entrée et ladite première sortie,
Tp(cs/sT)-∞nfig2 : le temps de propagation d'un signal dans ladite deuxième configuration entre la première entrée et la première sortie,
et Tp(ET/cE)-config2 : le temps de propagation d'un signal dans ladite deuxième configuration entre la deuxième entrée et la deuxième sortie, Tp(Cs/Œ)-configi le temps de propagation d'un signal dans ladite première configuration entre la première entrée et la deuxième sortie.
Par Tp(cE/cs)-configi « Tp(Cs/sT)-config2, on entend que Tp(CE/cs)-configi au moins dix fois ou au moins cent fois inférieur à Tp(cs/sT)-∞nfig2- Et par Tp(cE/cs)-configi « Tp(ET/cE)-config2 on entend que Tp(CE/cs) -configl 3 U moins dix fois ou au moins cent fois inférieur à Tp(ET/cE)-config2-
Tp(cs/sT)-config2 et Tp(ET/cE)-config2 peuvent être par exemple de l'ordre de plusieurs nanosecondes.
Tp(cE/cs)-configi peut être par exemple de l'ordre de plusieurs picosecondes par exemple de l'ordre d'une ou plusieurs centaines de picosecondes.
Le dispositif de commande peut comprendre en outre :
- des moyens pour, lorsque le module sélecteur de configuration est dans la première configuration, déterminer Tp(ET/sT)-∞nfigi,
- des moyens pour, lorsque le module sélecteur de configuration est dans la deuxième configuration : déterminer un retard Tesbo entre un signal de test, injecté à la deuxième entrée (ET) et de fréquence égale à la fréquence de résonance du M EMS ou du NEMS, et un signal en réponse à ce signal de test prélevé sur ladite première sortie (ST),
ledit retard donné étant sélectionné de sorte que : n/(Fr)- (Tp(ET/sT)-configi
-Tesbo), avec n un nombre entier et Fr la fréquence de résonance du M EMS ou du NEMS.
Le dispositif de commande peut comprendre en outre : une interface de sortie dotée de moyens adaptateurs de charge et/ou de niveau de tension en sortie du module de retard programmable.
La présente invention concerne également un dispositif microélectronique comprenant au moins un M EMS ou au moins un NEMS et un dispositif de commande tel que défini précédemment.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
- les figures 1A, 1B, illustrent un exemple de dispositif N EMS suivant à excitation électrostatique et à détection piézo-résistive, - la figure 2 illustre un premier exemple de mise en œuvre d'un dispositif de commande suivant l'invention prévu pour délivrer des signaux d'excitation à un dispositif MEMS ou NEMS, le dispositif de commande étant sous forme d'une boucle de rétroaction dotée d'un module numérique de retard programmable permettant d'imposer un déphasage déterminé aux signaux d'excitation délivré au MEMS ou au NEMS,
- la figure 3 illustre un deuxième exemple de mise en œuvre du dispositif de commande suivant l'invention, ce dernier étant doté d'un module de sélection de configuration permettant de placer le dispositif de commande dans une configuration en boucle ouverte ou dans une configuration de boucle fermée,
- la figure 4 illustre un exemple de mise en œuvre de chaîne d'amplification filtrage mise en œuvre dans un exemple de dispositif suivant l'invention,
- la figure 5 illustre un exemple de comparateur mis en œuvre dans un exemple de dispositif suivant l'invention,
- la figure 6 illustre un exemple de réalisation d'un module de retard programmable au sein d'un exemple de dispositif suivant l'invention,
- la figure 7 illustre un exemple de réalisation d'un module de sélection de configuration au sein d'un dispositif suivant l'invention de commande d'excitation d'un MEMS ou d'un NEMS, le module de sélection de configuration étant adapté pour commuter entre une première configuration dans laquelle le dispositif de commande est en boucle fermé et une deuxième configuration dans laquelle le dispositif de commande est en boucle ouverte,
- les figures 8A-8B illustrent le fonctionnement d'un bloc de mesure de fréquence au sein d'un exemple de dispositif suivant l'invention,
- la figure 9 illustre le fonctionnement d'une interface de sortie du module de retard programmable au sein d'un exemple de dispositif, suivant l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Un premier exemple de dispositif de commande, mis en œuvre suivant l'invention, est illustré sur la figure 2. Ce dispositif de commande permet de réaliser une excitation d'un MEMS ou d'un NEMS, par exemple un résonateur NEMS ou MEMS, afin de mettre ce dernier en oscillation et/ou de maintenir ce dernier en oscillation.
Le dispositif de commande peut être sous forme d'une boucle de rétroaction comprenant tout d'abord un premier étage 120 ou un module 120 comprenant une chaîne de gain-filtrage qui peut être analogique et permettre d'amplifier un signal SA issu d'un résonateur 110 MEMS ou NEMS.
Cette chaîne peut être formée d'un amplificateur différentiel ou d'un amplificateur à transimpédance ou amplificateur TIA (« TIA » pour transimpédance) et/ou d'un ou plusieurs filtres passe-bas, et/ou passe-haut.
Un exemple de réalisation de la chaîne de gain filtrage du premier étage 120 est donné sur la figure 4 et comprend un amplificateur de transimpédance 122, en sortie duquel se trouvent des moyens 124 formant un filtrage passe-bas réglable. En sortie des moyens réalisant un filtrage passe-bas réglable 124, sont également prévus des moyens 126 réalisant un filtrage passe-haut réglable.
Un signal amplifié SB est ainsi issu du premier étage 120 et est numérisé à l'aide de moyens de numérisation comprenant un comparateur 130 de tension qui est par exemple asynchrone.
Un exemple de réalisation d'un tel comparateur 130 est donné sur la figure 5.
Ce comparateur 130 est dit « asynchrone » dans la mesure où il n'est pas échantillonné par une horloge de référence. Le comparateur 130 peut comprendre un amplificateur différentiel doté d'entrées E+ et E- formé de transistors M i, M2, M3, M4, M8, M5. Le comparateur 130 peut être formé également d'un étage de gain comprenant des transistors M7, M6.
L'étage de gain est suivi d'une série d'inverseurs 131, 133, 135 permettant d'effectuer une adaptation de charge avec l'étage suivant du dispositif de commande. En sortie des moyens de numérisation 130, un signal numérique Sc est délivré. Ce signal numérique Sc peut être utilisé par un bloc numérique 150 permettant d'effectuer une mesure de fréquence du signal numérique Sc.
Un exemple de réalisation d'un bloc 150 de mesure de fréquence est illustré sur la figure 8A. La mesure mise en œuvre par ce bloc 150 peut être une mesure de la période moyenne d'oscillation.
Le bloc 150 de mesure de fréquence peut être formé de deux modules principaux 153, 155 qui peuvent être réalisés à l'aide de compteurs synchrones.
Un premier module 155 du bloc 150 est un diviseur par 2 puissance N. Sur une entrée E2 de premier module 155, un signal de référence Href à une fréquence de référence FREF par exemple d'une valeur de 1024 MHz.
Une sortie S2 de ce bloc est un signal Smes d'une période Tmes qui peut être par exemple de 2048 μ≤ et avoir par exemple un niveau haut de durée de l'ordre de 1024 μ≤ lorsque N = 21.
Une porte ET 151 reçoit le signal numérique Sc sur une première entrée et le signal Smes issu du premier module 155 sur une deuxième entrée. Cette porte ET 151 délivre un signal à une entrée El d'un deuxième module 153 du bloc 150.
Le deuxième module 153 du bloc 150 est formé d'un compteur synchrone, déclenché par exemple sur front montant, c'est-à-dire qu'à chaque front montant appliqué sur son entrée El, la valeur mémorisée dans le compteur est incrémentée d'une unité.
Une autre entrée RAZ du deuxième module 153 permet la remise à 0 de la valeur du compteur. Une sortie Si permet de délivrer la valeur courante du compteur.
Des chronogrammes Ci0, C20, C30, C40 représentatifs respectivement du signal RAZ de réinitialisation du deuxième module 153, du signal Smes de sortie du premier module 155, du signal de sortie de la porte ET délivré en entrée El du deuxième module 153, du signal de données en sortie du deuxième module 153, sont donnés sur la figure 8B, et illustrent le fonctionnement du module 150 de mesure de fréquence.
La mesure peut se dérouler en 3 phases : Selon une première phase dite « d'initialisation », le compteur synchrone 153 est initialisé par l'intermédiaire du signal RAZ de réinitialisation.
Selon une deuxième phase dite « de comptage » : lorsque le signal Smes en sortie du premier module 155 est dans un état haut ou égal à un niveau logique Ί', à chaque front montant du signal numérique Se, la valeur du comptage mise en œuvre par le deuxième module 153 est incrémentée.
Selon une troisième phase de transfert et de calcul : lorsque le signal Smes en sortie du premier module 155 revient à un état bas ou à un niveau logique Ό', la valeur M du compteur 153 est transférée à une unité de calcul ;
le calcul d'une période moyenne Txm d'un signal numérique Se peut s'effectuer avec à l'aide d'une formule : Txm= (0,5 * Tmes) / M.
Par exemple pour une valeur de fréquence de référence FREF du signal d'horloge de 1024 MHz, pour N=21, la période de Tmes est de 2048 μ≤ et la durée du niveau haut est de 1024 με.
Par exemple pour M=20000, on calcule
Figure imgf000012_0001
ns.
Pour M=20001, on calcule Τχιτι=0,5*2048μ5/20001=51,19744 ns.
Une mesure périodique ou permanente peut être mise en œuvre. Le résultat de cette mesure peut être stocké dans une mémoire.
Le signal numérique Sc est également injecté dans un module 170 formant une cellule de retard programmable permettant par exemple de générer un ou plusieurs signaux numériques de sortie SDi, SD2 avec un retard connu par rapport au signal d'entrée Sc, ce retard étant réglable ou programmable, et sélectionné parmi une pluralité de retards prédéterminés.
Le retard introduit dans la boucle de rétroaction permet de compenser celui généré par les autres éléments de la boucle et de délivrer un signal ou des signaux d'excitation au résonateur selon un déphasage déterminé répondant aux conditions d'oscillations du résonateur. Le module 170 permet d'induire un retard indépendant de la fréquence du signal détecté en sortie du MEMS ou NEMS. Le module 170 permet également d'induire un retard sans atténuation du signal entrant dans ce module.
Le module 170 de retard programmable peut être formé à l'aide d'une architecture de DLL (DLL pour « Delay Locked Loop » ou boucle à verrouillage de délai) telle que celle présentée par exemple sur la figure 6.
Dans cet exemple de réalisation, le module 170 comporte un comparateur de phase 172, une pompe de charge 174, une ligne à retard 177 commandée en tension ainsi qu'un décodeur 179.
Le comparateur de phase 172, lorsqu'il est activé par un signal EN compare le signal d'entrée Se servant de référence et un signal Sdly correspondant au dernier signal généré à l'extrémité de la ligne à retards 177. Le comparateur de phase 172 délivre deux signaux logiques UP et DOWN, qui sont l'image du décalage de phase entre les deux signaux Se et Sdly destinés à être synchronisés. Lorsque les deux signaux Se et Sdly ne sont pas encore synchronisés, les signaux logiques UP et DOWN ont des durées différentes. Lorsque les deux signaux Se et Sdly sont en phase, la boucle est verrouillée.
La différence de durée entre les signaux UP et DOWN est convertie par la pompe de charge 174 en une tension proportionnelle Vcp qui commande la ligne à retards 177.
Le décodeur 179 peut être quant à lui pourvu de plusieurs entrées de sélection, par exemple de k=6 entrées de bit SLRi,..., SLR6 du décodeur 179 permettant de sélectionner une valeur de retard parmi plusieurs, en particulier 2k, valeurs de retard déterminées, par exemple de 26 signaux retardés disponibles délivrées par la ligne à retard 177.
Cette ligne à retard 177 reçoit en entrée le signal Se délivré par l'étage précédent de la boucle ainsi que la tension continue Vcp délivrée par le convertisseur à pompe de charge 174.
La ligne à retard 177 est ainsi susceptible de délivrer plusieurs, en particulier 2k, signaux retardés déterminés, par exemple 26 signaux retardés, respectivement aux sorties OUT1,..., OUT64, de la ligne à retard 177. Une première sortie OUT1, lorsqu'elle est sélectionnée, permet par exemple de délivrer un retard nul, tandis qu'une 64eme sortie OUT64, lorsqu'elle est sélectionnée, permet par exemple de délivrer un retard égal à la période du signal Se par exemple 50ns et les sorties intermédiaires peuvent délivrer un retard par exemple compris entre 0.1 ns et 50 ns, par exemple de l'ordre de 20 ns.
Le décodeur 179 permet de sélectionner une M'eme sortie donnée OUTM parmi les sorties OUT1,..., OUT64, de la ligne à retard 177 et délivrer un premier signal SDi provenant de cette sortie donnée OUTM en fonction de la commande indiquée par les signaux SLRi,...,SLR6 de sélection.
Le décodeur 179 peut être également prévu pour émettre en sortie un deuxième signal SD2 de fréquence et d'amplitude égales à celle du premier signal SDi mais déphasé par rapport à SDi d'un déphasage prédéterminé, par exemple en quadrature de phase ou en opposition de phase avec le premier signal SDi, suivant le mode d'excitation choisi du résonateur.
Un premier mode d'excitation du résonateur 110 dans lequel on applique un signal à la fréquence de résonance Fr de phase 0° sur un premier plot dit « d'excitation » du résonateur MEMS ou NEMS et un signal égal à la moitié de la fréquence de résonance Fr/2 de phase 180° sur un deuxième plot dit « d'excitation » du résonateur 110 MEMS ou NEMS peut être prévu.
Un deuxième mode d'excitation du résonateur peut être prévu de sorte qu'on applique un signal SEi de fréquence Fr/2 et de phase 0° sur le premier plot du résonateur et un signal SE2 à Fr/2 de phase 90° sur le deuxième plot d'excitation. Ce deuxième mode d'excitation permet de maximiser le gain.
Au niveau du module à retard 170, le passage du premier mode d'excitation au deuxième mode d'excitation peut être permis à l'aide d'un bit de sélection SLF du décodeur 179.
Dans le premier mode d'excitation, les signaux SDi et SD2 délivrées en sortie du module à retard 170, peuvent avoir respectivement une phase de (360°*M)/64 et une phase de ((360°*M/64)+180°) et une fréquence d'excitation Fe. Dans le deuxième mode d'excitation, les signaux SDi et SD2 peuvent avoir respectivement une phase de (360°*N)/64 et une phase de ((360°*N)/64+90°) et une fréquence égale à Fe/2.
Avec un tel module 170, le retard ou le déphasage introduit est réglable dans une large gamme de retards ou déphasages et valable quelque soient les déphasages introduits par chaque bloc ou module de la boucle de rétroaction.
Avec un tel module 170, l'amplitude des signaux SDi et SD2 ne varie pas en fonction de la gamme de fréquence dans laquelle se trouve la fréquence de résonance du MEMS 110 ou du NEMS 110.
Avec un tel module 170, on introduit un retard asservi qui est indépendant des tensions d'alimentation du dispositif de commande.
Le ou les signaux retardés SDi, SD2 en sortie de l'étage 170 de retard programmable peut ou peuvent être ensuite mis en forme par un module 190 d'interface de sortie pour être appliqués à des moyens d'excitation du résonateur 110.
Ce module 190 de mise en forme permet de générer les signaux SEi, SE2 ayant des niveaux de tension adaptés au résonateur et servant de signaux d'excitation destinés à actionner le résonateur.
Le module 190 d'interface de sortie permet d'adapter en niveau et en charge le ou les signaux de sortie SDi, SD2 du module 170 de retard programmable à des moyens d'excitation du résonateur. Cette interface de sortie 190 peut être réalisée au moyen d'un ou plusieurs inverseurs et d'un ou plusieurs translateurs de niveau.
Un exemple de réalisation d'un module 190 d'interface de sortie est donné sur la figure 9.
Ce module peut être formé de mémoires tampons communément appelées « buffers » d'entrée 191, 192, destinés à recevoir des signaux numériques selon une première gamme d'amplitudes ou de tensions, par exemple de l'ordre 1 Volt, d'un translateur de niveau 194 prévu pour délivrer des signaux rehaussés en amplitude à des buffers de sortie 195, 196. Le module 190 est prévu pour émettre des signaux selon une deuxième gamme d'amplitudes ou de tensions supérieure à la première gamme et par exemple de l'ordre 3 Volts. Le module 190 reçoit des signaux numériques et délivre des signaux numériques ou analogiques. La conversion numérique analogique est réalisée en interne ou en sortie du module 190, par exemple par filtrage.
Dans un cas, par exemple, où le résonateur 110 est du type de celui décrit en liaison avec les figures 1A-1B, les signaux SEi, SE2 sont délivrés aux plots d'excitation 21 et 22 situés à proximité de l'élément mobile 15.
Pour maintenir des conditions d'oscillation, le module de retard programmable permet d'établir un déphasage constant entre l'entrée du premier étage et les signaux d'excitation SEi, SE2.
Une variante de réalisation du dispositif de commande décrit précédemment est donnée en liaison avec la figure 3.
Pour cette variante, le dispositif de commande comprend, entre les moyens de numérisation 130 et le module 170 de retard, un module 210 de sélection de configuration adapté pour commuter entre une première configuration dans laquelle la boucle de rétroaction a une première configuration ou un premier agencement, et une deuxième configuration dans laquelle la boucle de rétroaction a une deuxième configuration ou un deuxième agencement.
La première configuration peut permettre de placer le dispositif de commande dans une configuration de boucle fermée tandis que la deuxième configuration peut être destinée à placer le dispositif dans une configuration de boucle ouverte.
Le module 210 de sélection de configuration comprend une première entrée CS connectée à la sortie du comparateur 130 et une deuxième entrée ET sur laquelle un signal de test est destiné à être appliqué.
Le module 210 de sélection de configuration est doté également d'une première sortie ST par laquelle un signal de test est destiné à être prélevé et d'une deuxième sortie CE connectée au module de retard programmable 170.
Le module 210 de sélection de configuration est prévu pour adopter une première configuration dans laquelle la première entrée CS est reliée à la première sortie ST et la deuxième entrée ET est reliée à la deuxième sortie CE. Le module 210 de sélection de configuration est également prévu pour adopter une deuxième configuration dans laquelle la première entrée CS est connectée à la deuxième sortie CE, la deuxième entrée ET étant connectée à la première sortie ST.
Un exemple de mise en œuvre d'un tel module de sélection de configuration est donné sur la figure 7.
Le passage de la première configuration à la deuxième configuration peut être réalisé en fonction de l'état d'un signal logique de sélection de configuration Ssc.
Ce module 210 peut être formé de multiplexeurs 2 vers 1, 213 et 215 et de buffers 211, 217.
Sur sa première entrée CS, le module 210 est susceptible de recevoir un signal numérique Se issu du comparateur 130. La première entrée CS du module 210 est connectée à une entrée '1' d'un premier multiplexeur 213 de type 2 vers 1, tandis que la deuxième entrée ET du module 210 est connectée par l'intermédiaire du buffer 211 à une entrée '0' du premier multiplexeur 213. Ce premier multiplexeur 213 est prévu pour transmettre en sortie S une de ses deux entrées CS et ET, par exemple selon la table de vérité suivante :
Figure imgf000017_0001
Un autre buffer 217 est prévu en sortie du premier multiplexeur 213.
La première entrée CS du module 210 est également connectée à une entrée '0' d'un deuxième multiplexeur 215 de type 2 vers 1, tandis que la première entrée ET du module 210 est connectée à une entrée '1' du deuxième multiplexeur 215. Ce deuxième multiplexeur 215 est également prévu pour transmettre en sortie S une de ses deux entrées CS et ET, par exemple en suivant la table de vérité suivante.
Ssc S
0 CS
1 ET Le module 210 peut ainsi suivre la table de vérité ci-dessous :
Figure imgf000018_0001
Le module sélecteur de configuration 210 peut être également réalisé de sorte que, et en particulier les buffers 211 et 217 peuvent être prévus de sorte que, les délais de propagation ou retards entre les entrées ET, CS et les sorties ST, CE suivent les relations rl et r2 suivantes :
Tp(ET/ST)-configl = Tp(cs/ST)-config2 + Tp(ET/CE)-config2 (rl)
Avec :
- Tp(ET/sT)-∞nfigi, le temps de propagation d'un signal en configuration 1 du module 210 entre l'entrée ET et la sortie ST,
- Tp(cs/sT)-config2, le temps de propagation d'un signal en configuration 2 du module 210 entre l'entrée CS et la sortie ST,
- Tp(ET/cE)-config2, le temps de propagation d'un signal en configuration 2 entre l'entrée ET et la sortie CE,
Tp(cS/CE)-configl = 0, OU
Tp(cS/CE)-configl « Tp(cs/ST)-config2 et
Tp(cS/CE)-configl « Tp(ET/CE) -config2 (r2)
Par Tp(cs/cE)-configi « Tp(Cs/sT)-config2, on entend que Tp(Cs/cE)-configi est prévu au moins dix fois ou au moins cent fois inférieur à Tp(cs/sT)-∞nfig2-
Par Tp(cs/cE)-configi « Tp(ET/cE)-config2 on entend que Tp(Cs/cE)-configi est prévu au moins dix fois ou au moins cent fois inférieur à Tp(ET/cE)-config2-
Tp(cs/sT)-config2 et Tp(ET/cE)-config2 peuvent être par exemple de l'ordre de plusieurs nanosecondes. Tp(cs/cE)-∞nfigi peut être par exemple de l'ordre de plusieurs picosecondes par exemple de l'ordre d'une ou plusieurs centaines de picosecondes.
A l'aide de ce module de sélection de configuration 210, il est possible de réaliser une évaluation du retard ou du déphasage introduit par le module 170 et qui est destiné à être sélectionné afin de permettre d'assurer une mise en oscillation du résonateur et/ou un maintien en oscillation de ce dernier.
Une méthode de détermination du retard ou du déphasage destiné à être sélectionné et produit par le module 170 peut être la suivante :
On détermine tout d'abord la fréquence de résonnance Fr du résonateur 110 par une ou plusieurs mesures préalables.
La fréquence de résonnance Fr peut être déterminée par exemple pa r une mesure directe sur le MEMS ou le NEMS. Dans le cas où le résonateur étudié est du type de celui décrit en liaison avec la figure 1, la mesure peut être réalisée sur le plot de détection 28 de ce dernier. Une détermination du maximum local de la fonction de transfert permet d'indiquer la fréquence de résonnance Fr.
Ensuite, on place le module 210 sélecteur de configuration dans la première configuration, afin de déterminer le retard Tes = Tp(ET/sT)-configi entre la deuxième entrée ET du module 210 et la première sortie ST, par exemple à l'aide d'un signal de test.
Puis, le bloc de retard programmable 170 est programmé de telle sorte à introduire un retard nul, tandis que le sélecteur de configuration 210 est placé dans la deuxième configuration.
On détermine alors un retard Tesbo entre la deuxième entrée ET et la première sortie ST, lorsque le module 210 sélecteur de configuration est dans la deuxième configuration et que le dispositif de commande est en boucle ouverte.
Pour cela, on injecte un signal de fréquence égal à la fréquence de résonance Fr déterminée précédemment.
Le retard Tesbo est tel que :
Tesbo= Tp(cs/sT)-config2 + Tp(ET/cE)-config2 + Tbo, avec Tbo le retard généré par le reste des modules et circuits du dispositif. On en déduit le retard Tbo par la relation Tbo = Tesbo - Tes (si relation rl vérifiée).
On détermine le retard idéal Ti devant être généré par le bloc de retard programmable pour faire en sorte que :
Ti = n/F - Tbo où n est un nombre entier positif, avec F la fréquence du signal en entrée du dispositif proche ou égale à Fr, la fréquence de résonance du résonateur NEMS, de sorte que :
Ti = n/Fr - Tbo.
On détermine ensuite un retard «possible» Tr parmi l'ensemble des retards programmables du module de retard. Le retard Tr est choisi égal à k * (Tretard max / nombre total de retard élémentaires), k étant un entier correspondant au nombre de retards élémentaires sélectionnés par la valeur de l'entrée SLF (Tretard max étant égal à 1/Fr ou un multiple de 1/Fr). Le nombre k de retards élémentaires retenus est tel que Tr est le plus proche possible de Tl, Tr pouvant être choisi inférieur ou supérieur à Tl.
Une ou plusieurs de ces étapes peuvent être réalisées au moyen d'un microprocesseur associé à un ou plusieurs modules de traitement numériques, ou à l'aide d'un dispositif de traitement informatique, par exemple d'un ordinateur.
Après réglage du retard (SLF), on place le module de sélection de configuration 210 dans la première configuration, de manière à être placé en boucle fermée. La première entrée ET peut être alors mise à un état défini.
Une mise en oscillation du résonateur peut être ainsi assurée.
Selon une variante de réalisation, on pourra utiliser d'autres types de circuits permettant de réaliser un module de retard programmable. Dans le cas par exemple où l'on dispose d'un signal d'horloge haute fréquence, N fois supérieure à la fréquence de résonance du résonateur, on pourra prévoir un circuit de retard programmable utilisant un compteur par N.
Selon une autre variante de réalisation on peut mettre en œuvre un retard numérique en prévoyant un registre dont les données sont gérées en mode FIFO. Pour un signal de fréquence par exemple de l'ordre de 20 MHz, une longueur de registre par exemple de 50 cadencé par une horloge à 1 GHz peut être prévue. Des moyens de sélection d'une sortie du registre par exemple sous forme d'un multiplexeur permettent de sélectionner une sortie intermédiaire de rang i, le signal émis en sortie a un retard ΔΤ tel que ΔΤ= i*ln = Ï/1E9 soit un déphasage
Figure imgf000021_0001
la largeur du registre utilisé en FIFO étant identique au nombre de bits du convertisseur analogique numérique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de commande d'un micro-système électromécanique MEMS ou d'un nano-système électromécanique NEMS comprenant une boucle de rétroaction dotée :
- de moyens de numérisation (130) d'au moins un signal analogique en provenance dudit MEMS ou dudit NEMS et permettant de délivrer un signal numérique,
- un module de retard programmable (170) pour induire un retard sélectionné parmi une pluralité de retards prédéterminés audit signal numérique et délivrer un ou plusieurs signaux numériques retardés à des moyens d'excitation du MEMS ou du NEMS.
2. Dispositif de commande d'un microsystème électromécanique MEMS ou NEMS selon la revendication 1, dans lequel parmi lesdits signaux numériques retardés figurent un premier signal (SDi) et un deuxième signal (SD2) de fréquence égale à la fréquence de résonance du MEMS ou NEMS, le premier signal et le deuxième signal étant en opposition de phase.
3. Dispositif de commande d'un microsystème électromécanique MEMS ou NEMS selon la revendication 1, dans lequel parmi lesdits signaux numériques retardés (SDi, SD2) figurent un premier signal et un deuxième signal de fréquence égale à la moitié de la fréquence de résonance du MEMS ou NEMS, le premier et le deuxième signal étant en quadrature de phase.
4. Dispositif de commande selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le module de retard programmable (170) comprend :
- des moyens (177) pour délivrer une pluralité de signaux déphasés (OUT1,..., OUT64) par rapport à un signal d'entrée (Se) dudit module de retard, lesdits signaux étant déphasés respectivement selon une pluralité de déphasages prédéterminés, - des moyens de sélection (179-SLRi,...,SLR6) pour sélectionner au moins un signal déphasé parmi ladite pluralité de signaux déphasés,
- des moyens de sélection de fréquence (179-SLF) entre une fréquence égale à la fréquence dudit signal d'entrée et une fréquence égale à la moitié de la fréquence dudit signal d'entrée,
le ou les signal émis en sortie dudit module de retard programmable (170) ayant un déphasage égal au déphasage dudit signal déphasé et une fréquence égale à la fréquence ou à la moitié de la fréquence dudit signal d'entrée.
5. Dispositif de commande selon la revendication 4, dans lequel le module de retard programmable (170) comprend des moyens (172, 174) formant une boucle à verrouillage de phase,
les moyens (177) pour délivrer une pluralité de signaux déphasés comprenant une ligne à retards commandés en tension possédant une première entrée recevant ledit signal numérique et délivrant un signal de retour (Sdly), la tension de commande de la ligne à retards dépendant d'une différence entre ledit signal numérique et ledit signal de retour (Sdly).
6. Dispositif de commande selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant en outre des moyens de mesure de fréquence (150) dudit signal numérique (Se).
7. Dispositif de commande selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant en outre un module de sélection de configuration (210) doté d'une première entrée (CS) connectée aux moyens de numérisation (130) et une deuxième entrée (ET), le module de sélection de configuration (210) étant doté également d'une première sortie (ST) et d'une deuxième sortie (CE) connectée au module de retard programmable (170), le module de sélection de configuration étant prévu pour adopter : - une première configuration dans laquelle la première entrée (CS) est connectée à la deuxième sortie (CE), la deuxième entrée (ET) étant connectée à la première sortie (ST),
- une deuxième configuration dans laquelle la première entrée (CS) est connectée à la première sortie (ST), la deuxième entrée (ET) étant connectée à la deuxième sortie (CE).
8. Dispositif de commande selon la revendication 7, le module de sélection de configuration étant prévu de sorte que :
Tp(ET/ST)-configl = Tp(cs/ST)-config2 + Tp(ET/CE)-config2,
10* Tp(CE/CS)-configl < TP(CS/ST) -config2, et
10* Tp(cE/cs)-configi < Tp(ET/cE)-config2, avec Tp(ST/ET)-configi, le tem ps de propagation d'un signal dans ladite première configuration entre ladite deuxième entrée (ET) et ladite première sortie (ST), Tp(cs/sT)-∞nfig2, le temps de propagation d'un signal dans ladite deuxième configuration entre la première entrée (CS) et la première sortie (ST), et Tp(ET/cE)-∞nfig2, le temps de propagation d'un signal dans ladite deuxième configuration entre la deuxième entrée (ET) et la deuxième sortie (CE), Tp(cs/cE)-∞nfigi le temps de propagation d'un signal dans ladite première configuration entre la première entrée (CS) et la deuxième sortie (CE).
9. Dispositif de commande selon la revendication 8, comprenant :
- des moyens pour, lorsque le module sélecteur de configuration est dans la première configuration, déterminer Tp(ET/sT)-configi,
- des moyens pour, lorsque le module sélecteur de configuration est dans la deuxième configuration : déterminer un retard Tesbo entre un signal de test, injecté à la deuxième entrée (ET) et de fréquence égale à la fréquence de résonance du M EMS ou du NEMS, et un signal en réponse à ce signal de test prélevé sur ladite première sortie (ST),
ledit retard donné étant sélectionné de sorte que : n/(Fr)- (Tp(ET/sT)-configi -TeSbo), avec n un nombre entier et Fr la fréquence de résonance du M EMS ou du NEMS.
10. Dispositif de commande selon l'une des revendications 1 à 9, comprenant en outre : une interface de sortie (190) dotée de moyens adaptateurs de charge et/ou de niveau de tension en sortie du module de retard programmable (170).
11. Dispositif microélectronique comprenant au moins un MEMS ou au moins un NEMS et un dispositif de commande selon l'une des revendications 1 à 10.
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