Soutenance mémoire
État de l’art des résonateurs micro-mécaniques (MEMS) et acoustiques
Dans ce premier chapitre, nous allons dans un premier temps décrire les d’architectures de récepteurs utilisés dans les systèmes de transmission radiofréquence. Nous nous intéresserons ensuite à plusieurs éléments de ces architectures qui utilisent des résonateurs avant de détailler le principe de fonctionnement de ces résonateurs. Puis nous introduirons dans la Section 1.3 les composants réalisant les fonctions électroniques étudiées.
Architectures de récepteurs
Cette section présente les architectures radio-fréquence (RF) les plus utilisées de nos jours. L’étude de ces architectures permettra de déterminer les fonctions électroniques envisageables avec les résonateurs et notamment avec ceux utilisant les ondes acoustiques. De nos jours, la majorité des architectures comporte deux voix de communication, une pour émettre les données (émetteur), l’autre pour recevoir les données (récepeteur). Un contact (switch) commandé par l’électronique permet de choisir d’émettre ou de récevoir uniquement à un instant t (half-duplex). Dans le cas de l’émission, le signal issu de l’antenne est filtré pour garder les données en rapport avec la bande d’utilisation de l’application réalisée. Ce signal est en général très faible et doit être amplifié par un amplificateur faible bruit. La bande étant subdivisée en plusieurs gammes de fréquences (appéleés canaux) beaucoup moins larges que la bande principale, un deuxième filtrage est effectué pour récuperer les données des canaux d’utilisation. La subdivision de la bande principale en canaux permet, dans le cas de certaines techniques de modulation comme la modulation OFDM [XP09], à plusieurs appareils utilisant la même bande principale, de communiquer simultanément (multiplexage) (MEMS) et acoustiques sans risque d’interférences. Ou de transmettre des données plus efficacement par rapport aux perturbations volontaires ou involontaires du milieu de transmission comme dans le cas de la modulation DSSS (Direct sequence Spread Spectrum). Dans le cas de certains types de modulation, comme la modulation OFDM, deux canaux peuvent être utilisés pour réaliser une communication full-duplex entre deux appareils (un canal par direction de communication). Pour faciliter la conception des filtres de canal, certaines architectures utilisent le décalage de la bande de fréquence vers les basses fréquences en utilisant des circuits mélangeurs (mixer en anglais). Dans les sous-sections suivantes, nous allons détailler plusieurs architectures.
Récepteur superhétérodyne
Le principe du récepteur superhétérodyne est basé sur le changement de la fréquence porteuse du signal reçu de l’antenne (aussi désigné par signal RF) cf. Fig. 1.1. Ce signal est filtré par un filtre passe-bande, large bande, qui peut être un filtre à ondes acoustiques de surface SAW (Section 1.3.2.4) ou à ondes acoustiques de volume BAW (Section 1.3.2.5). Le signal est ensuite amplifié par un LNA (Low Noise Amplifier) puis envoyé vers un mélangeur. Le mélangeur effectue la multiplication du signal par un signal à fréquence déterminée, généré par un oscillateur local. Le produit de cette multiplication est le mélange (Fig. 1.2) :
Fonctions et spécifications associées
Dans cette section, nous présentons les fonctions électroniques intervenant dans une chaîne de communication et quelques spécifications associées à ces fonctions. Cela permettra de dégager les besoins et les intérêts que pourrait apporter notre composant. Pour permettre une interopérabilité des appareils communiquants, plusieurs normes ont été développées. Parmi ces normes on peut citer celles de la famille IEEE 802.x (Fig. 1.6).
Toutes ces normes contiennent une chaîne de réception ou d’émission radio implémentant l’une des architectures décrite dans la Section 1.1, dont les spécifications sont liées entre autres à la gamme de fréquence utilisée et au débit des données transférées. Pour une même norme, on peut avoir plusieurs standards différents suivant le type de modulation choisi. A titre d’exemple, l’application Wi-Fi est décrite par les standards 802.11a, 802.11b et 802.11g [INT04]. Le Tab. 1.1 montre les standards associés à la norme Wi-Fi [IS07].
En fonction des normes utilisées et donc généralement de l’architecture fixée par cette norme, plusieurs spécifications sont précisées pour les différentes fonctions électroniques qui sont les filtres, les mélangeurs, les oscillateurs, les amplificateurs de puissance, etc. L’un des buts de notre étude est de servir de base pour la conception des futurs composants répondant à ces spécifications.
Fonctions et spécifications associées
Dans cette section, nous présentons les fonctions électroniques intervenant dans une chaîne de communication et quelques spécifications associées à ces fonctions. Cela permettra de dégager les besoins et les intérêts que pourrait apporter notre composant. Pour permettre une interopérabilité des appareils communiquants, plusieurs normes ont été développées. Parmi ces normes on peut citer celles de la famille IEEE 802.x (Fig. 1.6).
Toutes ces normes contiennent une chaîne de réception ou d’émission radio implémentant l’une des architectures décrite dans la Section 1.1, dont les spécifications sont liées entre autres à la gamme de fréquence utilisée et au débit des données transférées. Pour une même norme, on peut avoir plusieurs standards différents suivant le type de modulation choisi. A titre d’exemple, l’application Wi-Fi est décrite par les standards 802.11a, 802.11b et 802.11g [INT04]. Le Tab. 1.1 montre les standards associés à la normeWi-Fi [IS07].
En fonction des normes utilisées et donc généralement de l’architecture fixée par cette norme, plusieurs spécifications sont précisées pour les différentes fonctions électroniques qui sont les filtres, les mélangeurs, les oscillateurs, les amplificateurs de puissance, etc. L’un des buts de notre étude est de servir de base pour la conception des futurs composants répondant à ces spécifications.
Filtres
La fonction principale d’un filtre consiste à atténuer ou à transmettre le signal en fonction de sa fréquence. Le gabarit d’un filtre indique, pour chaque valeur de fréquence, la transmission ou l’atténuation minimale du signal pour chaque fréquence.. Il existe plusieurs types de filtres mais on ne s’intéressera qu’aux filtres passe-bande qui sont les plus fréquents dans les architectures décrites.
Les caractéristiques importantes pour un filtre passe bande sont la fréquence centrale, la largeur de la bande passante, la réjection hors bande, le taux d’ondulation de la transmission dans la bande passante («ripple») et la perte d’insertion dans le cas où le filtre est passif. Ces paramètres sont reportés sur la Fig. 1.7.
Le bruit de phase, le facteur de qualité et la dépendance en température ne sont pas des facteurs critiques pour les filtres, contrairement aux oscillateurs de référence que nous verrons plus loin dans ce chapitre (Section 1.2.2)
Les oscillateurs et les filtres à Quartz
La première utilisation du cristal de quartz en tant que filtre date de 1921 [Cad21]. Le besoin croissant d’envoyer plusieurs messages vocaux simultanément a conduit à l’introduction de fréquences porteuses dans les systèmes de téléphonie en 1916 [Kin98]. Les anciens systèmes qui utilisaient les filtres LC dans la bande 10-40 kHz ne pouvaient pas dépasser une certaine largeur de bande à cause de leur faible facteur de qualité Q. En 1929 W. P. Mason du laboratoire de Bell a développé une méthode permettant d’intégrer les filtres en cristal de quartz dans un réseaux de filtres Lattice LC. Une bande de 60 à 108 kHz a été ainsi atteinte et a permis de multiplexer 12 canaux de voix à cette époque. Ces travaux publiés en 1934 dans [Mas34] ont servi de base à la réalisation des filtres durant les 20 années suivantes. Au milieu des années 1950, de nouveaux systèmes de radiocommunication à bande étroite réalisés (MEMS) et acoustiques avec des filtres en cristal de quartz sont apparus dans le domaine militaire et commercial avec des fréquences plus élevées et stables. Pour concevoir un filtre fiable, le quartz est découpé et mis en boîtier. Selon l’angle de coupe on obtient différentes valeurs de fréquences de résonance dans la gamme 50 − 100 MHz mais avec un très fort facteur de qualité dépassant 100 000 et une stabilité en température entre 10 ppm (partie par million) et 50 ppm pour les oscillateurs (XO pour Crystal Oscillator). Cette valeur est réduite à 1 ppm pour les oscillateurs quartz thermostatés (TCXO pour Temperature Controlled Crystal Oscillator), et 0.001 ppm pour les OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator). De nos jours le quartz est utilisé comme la référence de temps la plus fiable pouvant être embarquée dans les appareils de communications mobiles et/ou des appareils de taille modeste comme les cartes mère d’ordinateur. A titre d’exemple les horloges de références des circuits numériques (processeurs et/ou périphériques) sont des oscillateurs quartz. Du point de vue fonction électronique, dans un oscillateur quartz le cristal sert au filtrage très sélectif du signal amplifié et donc à fixer la fréquence de cadence du circuit.
Cependant le quartz présente des inconvénients, il n’est pas intégrable en IC (circuit intégré) et peut necessiter plus de place à cause de ses dimensions élévées (de l’ordre du mm). Donc un coût d’assemblage est à prévoir, ce coût est très élevé pour les récepteurs fabriqués en grande quantité comme les récepteurs des téléphones mobiles. D’autre part, la montée en fréquence peut poser des problèmes. Même si la solution utilisée de nos jours consiste à multiplier ou diviser le signal délivré par un oscillateur quartz par un circuit multiplieur ou diviseur de fréquence, cela pose des problèmes supplémentaires liés à l’amplification ou la propagation des parasites générés par les circuits de multiplication ou de division. Par ailleurs, le coût d’un tel circuit n’est pas négligeable surtout pour des récepteurs fabriqués en série.
Ondes acoustiques guidées
Dans ce chapitre, nous allons nous intéresser aux ondes acoustiques guidées et aux structures permettant de les exploiter. Nous allons tout d’abord étudier l’exemple d’une structure simple constituée d’une plaque homogène infiniment longue. Cette étude nous permettra d’introduire des notions telles que les notions d’ondes guidées ou de courbes de dispersion que nous utiliserons par la suite. Nous présenterons ensuite deux types de structures nous permettant d’exploiter des ondes guidées dans une couche piézoélectrique, réalisables en technologie silicium sans avoir recours à des technologies de membrane : l’une basée sur l’obtention d’ondes naturellement évanescentes dans le substrat et l’autre sur l’utilisation d’un miroir de Bragg acoustique.
Ondes de Lamb
Les ondes de Lamb, aussi appelées ondes de plaque, se propagent dans une plaque lorsque la longueur d’onde λ est du même ordre de grandeur que l’épaisseur de la plaque dans laquelle elles se propagent : λ e ≈ 1 (0.1 < λ e < 10). La vitesse de propagation des ondes et le nombre des modes présents dans la plaque dépendent de la fréquence d’excitation. Pour pouvoir définir l’empilement technologique, il est nécessaire de connaître précisément les propriétés de dispersion de ces ondes qui dépendent des propriétés élastiques et piézoélectriques du milieu de propagation (anisotropie, hétérogénéité, etc.) et desépaisseurs de l’empilement. Cette section présente les différents types d’ondes (appelés aussi modes de propagation) qui se propagent dans une plaque et la procédure de choix de l’onde pour la conception des dispositifs.
Ondes évanescentes dans le substrat
Condition d’obtention d’ondes évanescentes dans le substrat : loi de Snell-Descrates
Une solution simple consiste à avoir naturellement un substrat qui ne permet pas la propagation hors de la couche. L’existence d’un tel substrat dépendra des propriétés mécaniques de la couche guidante et de ce substrat lui même. Pour trouver les combinaisons de couche guidante et de substrat qui permettent un confinement naturel des ondes guidées, on peut s’aider de la construction de Fresnel [HU01] basée sur la loi de Snell-Descrates.
Cette loi impose que la projection du vecteur d’onde ~ k sur la direction de propagation soit la même pour les ondes réfléchies (r) ou transmises (t) que pour l’onde incidente (i) à l’interface. Ainsi on obtient l’égalité [DR74] :
Deuxième méthode : Obtention d’évanescence en utilisant une structure guidante multi-couches
La solution que nous proposons consiste à intercaler un empilement de couches entre l’AlN et le substrat pour ralentir les ondes dans le guide d’onde (et donc augmenter la lenteur) et ainsi rendre les ondes évanescentes dans le silicium suivant le principe décrit plus haut. Cette solution convient dans le cas du mode symétrique d’ordre 0 du guide (S0 ) mais pourrait être appliquée à d’autres modes. Le principe est de comparer la position de la courbe de dispersion du mode S0 à celle des ondes de volume dans le substrat.
A partir de la fréquence à laquelle la courbe de dispersion de l’onde S0 passe en dessous de celle de la plus lente des ondes de volume du silicium, une onde peut se propager dans le guide mais reste évanescente dans le substrat. Le résonateur est donc isolé dans cette fréquence. Pour exploiter cette méthode quelle que soit la fréquence désirée, il faut ralentir la vitesse de phase de l’onde S0 . Cette réduction se traduit par un affaissement de la courbe de dispersion. Dans ce cas, le champ de déplacement est distribué dans l’ensemble de l’empilement : résonateur et couche d’isolation.
Courbe de dispersion et structure multi-couches
Nous utilisons un empilement de différents matériaux parce qu’il est souvent difficile de déposer un matériau épais. En alternant des matériaux différents, on réduit cette contrainte. L’empilement est appelé miroir de Bragg par analogie avec le miroir de Bragg classique. Le principe consiste à réduire la vitesse de phase des ondes correspondant au mode S0 par un choix approprié des couches du miroir de Bragg. Quand l’onde dans le multi-couches est plus lente que l’onde transversale dans le silicium, elle est évanescente dans le substrat et l’énergie est confinée dans la structure du résonateur et éventuellement dans la partie supérieure du silicium. La vitesse de l’onde transversale CT Si étant plus faible que celle de l’onde longitudinale CLSi dans le silicium, si la vitesse de phase des ondes S0 est inférieure à CT
Si , elle est aussi inférieure à CLSi . Nous nous baserons donc uniquement sur la frontière imposée par l’onde transversale dans le silicium. La droite correspondant à l’onde transversale dans le substrat, marquée en couleur noire sur la courbe de dispersion délimite deux zones : une zone non isolée (par-tie marquée en pointillés rouges sur la Fig. 2.7) et une zone isolée (partie marquée en pointillés verts sur la Fig. 2.7)
Choix des épaisseurs pour une évanescence des ondes acoustiques plus forte dans le substrat
Cette section décrit la procédure permettant d’obtenir des ondes acoustiques évanescentes dans le substrat de manière à isoler les ondes guidées dans l’empilement multi-couches. L’exemple retenu est celui d’un résonateur dans la gamme des fréquences basses, utilisant le mode S0 . La fréquence de travail est fixée par rapport à l’application visée. Comme schématisé sur la Fig. 2.10, un ensemble initial de valeurs est choisi pour les épaisseurs eW des couches de W . Les épaisseurs des couches de SiO2 sont déduites à partir de l’Eq. (2.28). La deuxième étape consiste à calculer la courbe de dispersion du mode S0 par simulation couplée FEM [Lab02] pour le premier couple d’épaisseurs (eW , e SiO2 ) des couches de W et de SiO2 . La courbe de dispersion correspondant à l’onde transversale dans le silicium est également tracée sur la même figure. Le point critique est défini par l’intersection de la courbe de dispersion du mode S0 avec celle de l’onde transversale dansle Si.
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Table des matières
Remerciements
Table des matières
Résumé
Liste de publications et de brevets
Introduction générale
I État de l’Art des Composants et des Architectures RF
1 État de l’art des résonateurs micro-mécaniques (MEMS) et acoustiques
1.1 Architectures de récepteurs
1.1.1 Récepteur superhétérodyne
1.1.2 Récepteur à conversion directe ou zéro-FI
1.1.3 Récepteur à faible fréquence intermédiaire
1.1.4 Récepteur multistandard
1.2 Fonctions et spécifications associées
1.2.1 Filtres
1.2.1.1 Filtrage large bande
1.2.1.2 Filtrage de canal direct
1.2.2 Oscillateurs
1.3 Études des composants réalisant les fonctions
1.3.1 Composants passifs discrets
1.3.2 Composants acoustiques
1.3.2.1 Motivation pour les composants à ondes acoustiques
1.3.2.2 Principe de base des résonateurs à ondes acoustiques
1.3.2.3 Les oscillateurs et les filtres à Quartz
1.3.2.4 Composants à ondes acoustiques de surface (SAW)
1.3.2.5 Résonateurs BAW (Bulk Acoustic Wave)
1.3.2.6 Résonateurs à ondes de Lamb et à ondes guidées
1.3.3 Résonateur MEMS
1.3.3.1 Résonateur électromécanique à actionnement électrostatique
1.3.3.2 Résonateurs électromécaniques à actionnement piézoélectrique
1.3.4 Résonateurs à ondes de Lamb et à ondes guidées
1.3.4.1 Résonateur à ondes de Lamb
1.3.4.2 Résonateur à ondes acoustiques guidées
1.4 Conclusion
II Étude Théorique
2 Ondes acoustiques guidées
2.1 Ondes de Lamb
2.1.1 Élasticité linéaire : Loi de Hooke
2.1.2 Élasticité dynamique : Propagation
2.1.3 Ondes de Lamb, relations de dispersion
2.1.4 Guide d’onde piézoélectrique : Problématiques
2.2 Ondes évanescentes dans le substrat
2.2.1 Condition d’obtention d’ondes évanescentes dans le substrat : loi de Snell-Descrates
2.2.2 Première méthode : Obtention d’évanescence par création d’ondes de Love ou d’ondes de Lamb généralisées
2.2.3 Deuxième méthode : Obtention d’évanescence en utilisant une structure guidante multi couches
2.2.3.1 Courbe de dispersion et structure multi-couches
2.2.3.2 Simulation numérique
2.2.3.3 Choix des épaisseurs pour une évanescence des ondes acoustiques plus forte dans le substrat
2.2.3.4 Validation de l’isolement du substrat
2.2.3.5 Limites de la méthode de ralentissement des ondes
2.3 Utilisation d’un miroir de Bragg désaccordé
2.3.1 Introduction
2.3.2 Modélisation : méthode de la matrice de réflexion
2.3.3 Utilisation de la méthode de la matrice de réflexion : dimensionnement
2.3.4 Calcul de la réponse d’un résonateur utilisant des peignes interdigités
2.4 Conclusion
3 Dimensionnement des résonateurs à ondes guidées
3.1 Conception d’un miroir de Bragg désaccordé
3.1.1 Dimensionnement du miroir de Bragg
3.1.1.1 Définition d’un empilement périodique
3.1.1.2 Optimisation du coefficient de réflexion par variation indépendante de l’épaisseur de chaque couche
3.1.2 Influence de la dispersion des épaisseurs des couches du miroir de Bragg
3.2 Dimensionnement de la géométrie d’un résonateur
3.2.1 Paramètres géométriques clés d’un résonateur à ondes acoustiques guidées
3.2.2 Méthodes de calculs
3.2.3 Détermination de la période des peignes interdigités
3.2.4 Largeur des peignes
3.2.5 Détermination du nombre de peignes et de la longueur du résonateur
3.3 Calcul de l’épaisseur d’AlN
3.4 Réduction de l’effet des modes parasites par modification de la dernière couche du miroir de Bragg
3.5 Conception topologique de résonateurs et de filtres : Layout
3.5.1 Différents types de résonateurs fabriqués
3.5.2 Filtres à couplage électrique
3.5.3 Filtres à couplage acoustique
3.6 Conclusion
III Réalisation Technologique
4 Réalisation technologique et caractérisation des résonateurs
4.1 Développement du procédé de fabrication
4.1.1 Choix de l’empilement technologique
4.1.2 Description du procédé de fabrication
4.2 Caractérisation électrique des résonateurs et des filtres à ondes acoustiques guidées
4.2.1 Modèles de deembedding .
4.2.2 Résultats électriques
4.2.3 Dispersion des mesures électriques
4.2.3.1 Dispersion des fréquences de résonance et d’antirésonance
4.2.3.2 Dispersion des facteurs de qualité série (Qs ) et parallèle (Qp )
4.2.3.3 Dispersion du coefficient de couplage (k 2)
4.2.4 Autres dispositifs
4.2.5 Comparaison des solutions de réflecteurs latéraux
4.2.6 Co-intégration avec les résonateurs BAW
4.3 Conclusion
IV Conclusions et Perspectives
Conclusions et perspectives
V Bibliographie
VI Annexes
A Tableau résumé de l’état de l’art des résonateurs et filtres
B Description des structures de résonateurs et de filtres conçus sur le jeu de masque
B.1 Structures de résonateurs
