Les oscillateurs Mems ne sont pas réellement une nouveauté. Les premières publications mentionnant des résonateurs RF Mems appliqués à des oscillateurs sont apparues dans les années mille neuf cent quatre-vingt. Cependant, jusqu'à récemment, la médiocre stabilité en température du silicium et la nécessité de recourir à des encapsulations coûteuses, à base de céramique ou de cavité métallique, ont empêché les Mems de devenir une alternative crédible aux quartz. Ces cinq dernières années, de sérieux progrès ont été accomplis concernant le process, l'encapsulation et l'intégration des circuits. Ces avancées sont essentiellement à mettre au crédit de start-up telles que Discera, Silicon Clocks et SiTime.

Il convient en premier lieu de rappeler la définition d'un oscillateur Mems. En effet, une certaine confusion semble régner entre les termes oscillateur et résonateur, particulièrement lorsqu'il s'agit du prix.

Un oscillateur Mems typique est constitué 1) du résonateur, 2) des circuits assurant les fonctions d'oscillation, de compensation de fréquence et de température, 3) du boîtier. Le résonateur Mems est une structure micro-usinée qui vibre à une fréquence spécifique, sous l'effet d'une excitation externe (principalement électrostatique pour obtenir un bon facteur de qualité). Le résonateur est économique et son prix en volume est estimé inférieur à 0,1 $. Le coût d'un oscillateur Mems traditionnel démarre pour sa part à 0,5 $, et peut atteindre plusieurs dollars pour certains modèles. Les prévisions de marché données dans cet article concernent les oscillateurs Mems plutôt que les résonateurs, car la plupart des fabricants fourniront en réalité des oscillateurs complets (figure).

Les premiers fournisseurs d'oscillateurs Mems affirment qu'ils sont capables d'adresser 50 à 90 % du marché des horloges et des oscillateurs. Il s'agit là d'un marché de masse, estimé à 10 milliards d'unités environ et à 3,2 milliards de dollars.

Nous différencierons principalement trois types de produits (tableau) :

1. L'oscillateur d'horloge. Un tel circuit crée les impulsions qui synchronisent le système électronique. Les oscillateurs d'horloge entrent dans les catégories suivantes : XO (oscillateur à quartz), VCXO (oscillateur à quartz contrôlé en tension), TCXO (oscillateur à quartz compensé en température), OCXO (oscillateur à quartz thermostaté), et VCSO (oscillateur à ondes acoustiques de surface contrôlé en tension).

2. Le générateur d'horloge. Ce dernier est légèrement plus complexe que le simple oscillateur d'horloge. Les éléments de base, tels que le circuit résonnant et l'amplificateur sont les mêmes que ceux de l'oscillateur d'horloge. S'y ajoutent généralement des circuits qui modifient le signal de base. Les générateurs d'horloge de cet article font référence aux oscillateurs avec multiples PLL ou nettoyeurs de gigue (jitter cleaner).

3. L'horloge temps réel. Il s'agit d'une horloge qui reste active, même lors de l'extinction du système.

Actuellement, les principales technologies d'oscillateurs et d'horloges sont à base de quartz, de céramique ou de silicium Cmos. Les quartz constituent l'essentiel du marché (70 % à 80 % en valeur), et des entreprises japonaises comme Kyocera, NDK et Toyocom sont en position dominante. Depuis plusieurs dizaines d'années, la technologie quartz a fait ses preuves en termes de tenue en température et de stabilité à long terme. Elle est tout indiquée pour les oscillateurs de haute précision. La précision fréquentielle au bout d'un an est comprise entre quelques ppm et quelques dizaines de ppm.

Les horloges à base de silicium (non Mems), appelées aussi horloges Cmos, sont proposées par Maxim et Linear Technology. Elles remplacent progressivement les céramiques dans certaines applications, lorsque les spécifications demandées sont moins exigeantes. On peut également ajouter un nouveau type d'horloges Cmos inductives (LC), comme celles de Mobius Microsystems. Ces composants ciblent des architectures nouvelles dont la fréquence de référence se situe dans le domaine du gigahertz, plutôt dans celui du mégahertz. Leur précision fréquentielle est à ce jour meilleure que 500 ppm.

Les oscillateurs Mems se positionnent par conséquent entre les horloges Cmos et les oscillateurs à quartz.

Les attraits des Mems sont bien connus et ont été mis en exergue dans de nombreux articles publiés ces derniers dix-huit mois. En théorie, la technologie Mems offre des avantages majeurs en termes de taille (notamment pour les applications mobiles), de puissance consommée, de coût et de capacité à produire de multiples fréquences opératoires. En pratique, il apparaît toutefois que la première génération d'oscillateurs RF ne profitera pas pleinement de la petite taille des Mems ou de leur forte capacité d'intégration. Alors, pourquoi et dans quels cas privilégier les Mems ?

Au niveau de la taille, un minuscule oscillateur Mems est souvent mis en parallèle avec un oscillateur à quartz 100 fois plus volumineux. Il faut néanmoins reconnaître que certains récents produits à quartz ont bénéficié d'une réduction de taille sensible. Une nouvelle génération de quartz TCXO est en train d'émerger, dont les dimensions sont similaires aux premiers oscillateurs Mems. Ceux-ci seront effectivement compatibles broche-à-broche avec les oscillateurs à quartz, pour un remplacement facilité. Comme la taille du boîtier sera identique, le principal intérêt des Mems sur le segment des « petits oscillateurs » sera le prix. En effet, la fabrication et l'encapsulation des petits quartz restent plus onéreuses. De surcroît, avec les Mems, un peu d'espace sur la carte sera gagné, du fait de l'absence de condensateurs de découplage et de résistances additionnels.

En ce qui concerne le facteur économique, les structures résonnantes des oscillateurs Mems sont très petites. De 50 000 à 100 000 résonateurs trouvent ainsi place sur une tranche de silicium de 8 pouces. Par suite, en production de volume, de tels résonateurs sont moins onéreux que les quartz. Sur cette base, certaines start-up ont annoncé par le passé que leurs produits seraient 20 à 30 % moins chers que leurs équivalents à quartz. Mais, lorsque l'on considère l'oscillateur complet, tel qu'il sera commercialisé, cet avantage de prix semble moins apparent. Le fait est que les oscillateurs Mems seront commercialisés autour de 0,5 $. De fait, WTC (Wicht Technologie Consulting) estime que, vis-à-vis des horloges et des oscillateurs à quartz, les oscillateurs Mems ne seront pas suffisamment compétitifs dans les marchés standard. Les Mems trouveront leur place sur des segments de marché particuliers où la taille, les hautes fréquences obtenues, la possibilité d'obtenir plusieurs fréquences de résonance dans un même composant sont des critères de première importance.

La possibilité d'intégrer les résonateurs Mems de façon monolithique avec le circuit intégré est souvent mise en avant. Il est vrai que cette option n'est pas envisageable avec les quartz. Cependant, les premiers oscillateurs Mems seront en réalité des composants hybrides. Par exemple, les résonateurs Mems de SiTime sont connectés à un Asic par des fils de bonding. Une intégration sur la même puce du résonateur Mems et du circuit intégré serait un non-sens économique dans la plupart des cas. En effet, la puce nue du Mems est bien plus petite que celle du circuit intégré. L'intégration du résonateur avec le circuit est intéressante à plus long terme, pour des capteurs distribués ou certains systèmes RFID par exemple.

Quant à l'attrait de la faible puissance consommée, il est aujourd'hui limité dans le cas d'un composant hybride. Et ce en raison des éléments parasites liés à une connexion filaire. Les Mems seront sur ce point réellement avantageux, lorsque des solutions monolithiques verront le jour.

Jusqu'à 2005, différentes start-up ont fait des révélations contradictoires concernant les premiers types d'oscillateurs Mems disponibles. Un TCXO répondant à des critères exigeants, en termes de stabilité en température et de bruit de phase, a ainsi été annoncé en 2002, mais finalement sans aucune concrétisation. En 2004, certains ont affirmé que les horloges temps réel à 32 kHz seraient les premières à voir le jour. Là encore aucun produit n'a été introduit. Aujourd'hui, il existe un consensus autour de la roadmap suivante :

- Les horloges Mems de type XO pour les produits électroniques grand public vont émerger en premier. Les spécifications sont à cet égard peu contraignantes. Par exemple, la stabilité en température demandée est typiquement de 20 à 100 ppm entre 40 et 85°C. A contrario, un petit boîtier est de rigueur. Les produits potentiellement intéressés concernent les caméras ou les appareils photo numériques, en sus des clés USB et autres lecteurs MP3. SiTime a déjà annoncé la fourniture d'un million d'oscillateurs pour des produits d'électronique grand public en décembre 2006. Discera a de son côté présenté en novembre 2006 un caméscope numérique, oeuvre de Sony, intégrant un oscillateur Mems de type XO. La commercialisation en série est attendue pour cet été. Ces Mems seront compatibles broche-à-broche avec les produits à base de quartz, pour une mise en oeuvre simplifiée et une pénétration rapide du marché.

- La seconde génération d'oscillateurs Mems visera un marché plus large, celui des oscillateurs compacts exigeant le niveau de performance des TCXO. Néanmoins, le bruit de phase restera en retrait, tandis que des progrès resteront à réaliser en matière de compensation de température et de précision de fréquence. Les TCXO à base de Mems pourraient voir le jour en 2008 ou 2009. De nouveau acteurs comme Silicon Clocks, NXP et VTI ciblent directement ce marché.

- Enfin, les premiers circuits multifréquences monopuces (avec une horloge temps réel cadencée à 32 kHz) sont attendus d'ici trois ans. Le niveau d'intégration devrait progresser, de telle sorte que les premiers oscillateurs Mems monolithiques pourraient voir le jour, chez Silicon Clocks par exemple.

Dans une perspective à plus long terme, il est à noter les gros efforts effectués en R&D, portant sur l'intégration et la recherche d'architectures nouvelles utilisant des résonateurs comme filtres ou comme mélangeurs.

Ainsi, STMicroelectronics en collaboration avec le CEA-Léti a dévoilé un concept de Nems embarqués (nanoelectromechanical system), mettant à profit de nouveaux procédés de fabrication comme le « Silicon-on-Nothing » (SON). Clark Nguyen, pionnier des résonateurs Mems à l'université du Michigan, met également en avant le développement de résonateurs pour réaliser un frontal de réception, permettant un accord de fréquence entre 600 et 2 500 MHz. Les développements en cours à l'EPFL en Suisse sur les résonateurs en nanotubes de carbone méritent également d'être mentionnés.

Globalement, WTC évalue le marché des oscillateurs Mems à quelque 200 millions de dollars en 2012. Un chiffre certes encore loin de représenter les 50 à 90 % du marché pouvant être théoriquement adressé, mais qui justifie cependant le vif intérêt suscité actuellement par les Mems. Le point crucial sera d'identifier les applications spécifiques pour lesquelles les oscillateurs Mems apporteront un réel plus, du fait par exemple de leur petit boîtier, de leur consommation réduite, ou lorsqu'un fonctionnement haute fréquence ou en environnement difficile est de mise. Et éventuellement en vue d'une intégration poussée dans un circuit.

La possibilité de réaliser plusieurs résonateurs dans un même composant est également très prometteuse, pour nombre d'applications nécessitant diverses fréquences de référence. Certains téléphones portables incorporent par exemple 5 ou 6 horloges et oscillateurs à quartz différents. Un oscillateur Mems multifréquence apporterait ici un réel bénéfice. Son utilisation entraîne un bouleversement architectural dans le téléphone, de telle sorte qu'elle n'est pas envisagée pour maintenant.

Comme nous l'avons indiqué, les acteurs majeurs sont aujourd'hui trois start-up américaines : Discera, SiTime et Silicon Clocks. Les premiers produits commercialisés en série arrivent cette année chez les deux premières sociétés citées. Mais, à l'instar de NXP, des spécialistes du semi-conducteur sont également susceptibles de rejoindre le mouvement.

De son côté, la société de capteurs Mems VTI Technologies a annoncé récemment sa coopération avec l'organisme de recherche finlandais VTT. Elle pourrait commercialiser des oscillateurs Mems dès 2008 ou 2009.

Mais la communauté des fabricants d'horloges et d'oscillateurs quartz prend également les Mems au sérieux et commence à s'investir sérieusement. Ainsi, des fabricants japonais d'oscillateurs à quartz de première importance, comme Epson-Toyocom, explorent la piste des oscillateurs Mems en silicium. Par ailleurs, cette société a également démarré la commercialisation de quartz micro-usinés (appelés QMems).

Certains vendeurs de produits à quartz envisagent également d'acquérir des technologies Mems. Des spécialistes du quartz, tels Micro Crystal et Vectron, ont par ailleurs formé des partenariats avec SiTime et Discera.

Pour notre part, nous estimons que l'oscillateur Mems sera, après les FBAR (filtres Mems à ondes acoustiques), le deuxième composant de type Mems RF à être produit en masse. A ce titre, l'année 2007 sera cruciale. Elle révélera si les promesses de commercialisation, en dizaines de millions de pièces, émanant des start-up seront tenues.