Brevet FR2010304A1 — publié le 19700213

i 2010304 Un filtre d'ondes électriques, essentiellement à deux dimen-sions, est formé en déposant une pellicule de matériau piézoélectrique sur un substrat et en appliquant des paires d'électrodes d'entrée et de sortie à différentes parties de la pellicule. Cha-^ que paire d'électrodes forme, en combinaison avec la pellicule et le substrat, un résonateur composite. Les deux résonateurs composites sont disposées en vue d'un couplage mécanique désiré de entre eux. Le- filtre peut comprendre également un réseau7n résonateurs composites couplés comportant une pellicule commune et jq un substrat commun, les paires d'électrodes de deux résonateurs du réseau servant d'électrodes d'entrée et de sortie. Pour mettre en oeuvre l'invention suivant l'un des modes de réalisation préféré, il est prévu un substrat commun pour une série de résonateurs constitués par des parties d'une pellicule mince de matériau piézoélectrique déposé sur le substrat et des parties correspondantes du substrat. Les parties de la pellicule qui forment les résonateurs comportent des électrodes sur leurs surfaces supérieure et inférieure et un couplage mécanique entre un résonateur et le suivant. La pellicule peut être formée par PQ une téchnique d'évaporation et est notablement plus mince que le substrat, par exemple de l'ordre du dixième de son épaisseur. Les électrodes,de leur côté, sont considérablement plus minces que les pellicules, par exemple de l'ordre du dixième de l'épaisseur de la pellicule. Elles peuvent être formées par évaporation de . métal sur des parties choisies de la surface. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels la Fig.l est une vue en coupe transversale d'un filtre composite à modes couplés selon un mode de réalisation de l'invention; la Fig.? est une vue en coupe transversale d'un filtre compo site à modes couplés selon l'invention qui comporte une série de résonateurs, deux des résonateurs servant de transducteur d'entrée et de transducteur de sortie respectivement; la Fig.3 est un schéma de principe d'un filtre en réseau hybride représentant à certains égards le circuit électrique équi valent du filtre composite à modes couplés de la Fig.l. Des caractères de référence analogues sont utilisés sur 30 35 18784 2 2010304 toutes les figures des dessins pour désigner des parties analogues. La Fig.l représente' un filtre à modes couplés composite ne comportant que des électrodes d'entrée et de sortie selon l'invention. Le filtre est désigné d'une manière générale par le caractère- de référence 10. Le filtre 10 comprend un substrat 1? sur lequel est déposée ou collée une couche de matériau piézoélectrique 14. Une électrode 16 est disposée entre le substrat 1P et la couche ou pellicule de matériau piézoélectrique 14. En face de l'électrode 16 et sur la surface supérieure de la pellicule 14 se trouve une seconde électrode 18. Comme représenté sur les dessins, les électrodes 16 et 13 ne recouvrent qu'une partie relativément faible de la surface de la pellicule piézoélectrique 14. Deux électrodes 20 et PP correspondant aux électrodes, 16 et 13 sont disposées vis à vis l'une de l'autre sur des parties opposées des surfaces inférieure et supérieure respectivement de la pellicule piézoélectrique 14. Comme dans le cas de l'électrode 16, l'électrode PO est disposée entre le substrat 1? et la pellicule piézoélectrique l11. Les électrodes 16 et PO sont représentées sous la forme d'électrodes distinctes et non connectées. Il est clair toutefois que l'invention n'exclue pas l'emploi d'une électrode unique sur une surface de la pellicule 14 lorsqu'on désire- une masse commune ou lorsque le dispositif doit être utilisé en résonateur o.u filtre à trois bornes. Deux électrodes servent à la connexion des bornes d'entrée et les deux autres électrodes servent à la connexion des bornes, de sortie. L'une ou l'autre des paires, d'électrodes 16, 13- et PO, PP peut constituer les électrodes, d'entrée, l'autre paire formant les électrodes de sortie. .Par exemple, les. électrodes 16 et 13 peuvent être connectées à des bornes d'entrée ?4 et 26 respectivement et les électrodes PO et PP peuvent être connectées à des bornes de sortie 23 et JO respectivement.. Le: substrat 12 de la pastille peut avoir une forme circulaire ou rectangulaire. De même, les électrodes 16, 18, 20-et 22 peuvent être circulaires, rectangulaires oumême présenter une forme moins régulière. Toutefois, en vue de la commande du couplage mécanique, elles sont de préférence rectangulaires. Dans l'agencement dé la Fig.l, la couche, 14 est en matériau piézoélectrique qui est-polarisé perpendiculairement à sa surface. L'axe piézoélectrique *52 est perpendiculaire à la surface du 69 18784 3 2010304 10 substrat 1P. L'axe piézoélectrique concerné dans le cas de cristaux hexagonaux du type wurtzite est l'axe c_. Cet axe est appelé axe £ dans les matériaux tels que le sulfure de cadmium, le séléniure de cadmium, l'oxyde de zinc, l'oxyde de béryllium, le nitrure d'aluminium, le sulfure de zinc et de wurtzite et des solutions solides de ces matériaux. Dans les cristaux cubiques de sphalérite tels que le sulfure de zinc et l'arséniure de gallium, par exemple, l'axe piézoélectrique est 1 ' axeJjLlîj. Dans les cristaux ferroélectriques, l'axe ferroélectrique peut ordinairement être considéré comme l'axe piézoélectrique. Toutefois pour le niobate de lithium et le tantalate de lithium ferroélectrique, cette terminologie ne convient pas et on pourrait plutôt considérer l'axe ferroélectrique (z) ou l'axe Y comme axe piézo-électrique. Bien que pour"le filtre représenté à la Fig.l, l'axe piézoélectrique ait été indiqué comme étant perpendiculaire au substrat 1?, l'invention n'est pas limitée à cet exemple et d'autres agencements peuvent être utilisés, comme décrit ci-après. PQ Pour la clarté des dessins, les électrodes 16, 13, PO et PP ont été représentées relativement épaisses en comparaison de la couche de la pellicule piézoélectrique 14 qui a été également représentée relativement épaisse en comparaison du substrat 1P. Dans la pratique toutefois, les électrodes sont beaucoup plus 25 minces que la couche piézoélectrique et l'épaisseur de la couche piézoélectrique est une fraction de celle du substrat. Lorsque la couche 14 est déposée sur le substrat 1P, le dépôt est effectué avec une épaisseur uniforme et la partie de la couche qui se trouve au-dessus d'une électrode est simplement lé-■jO gèrement plus haute que la partie entourant l'électrode. Des conducteurs allant des électrodes aux bornes de sortie et d'entrée ont été représentés schématiquement et écartés de leur position réelle dans le dispositif construit afin d'éviter toute confusion sur les dessins. De préférence toutefois, les conducteurs 3^ et -55 36 allant des électrodes 16 et PO aux bornes ?4 et ?3 respectivement sont venus de matière avec les électrodes 16 et PO respectivement et sont disposés le long de la surface du substrat 1p. La construction réelle des électrodes, des conducteurs et de la couche 14 ne fait pas partie de l'invention, 2^0 Le substrat 1?, qui peut avoir la forme d'une pastille, est 18784 k 2010304 formé de préférence à pa,rtir d'un matériau ayant un coefficient mécanique Q élevé et peut présenter un coefficient fréquence-température de valeur et de polarité permettant d'annuler le coefficient fréquence-température de la couche piézoélectrique 14. Des matériaux convenables pour le substrat 1? sont le quartz et des composés métalliques tels que l'invar et l'élinvar. Parmi d'autres matériaux qui peuvent être utilisés, on trouve le gallate, le niobate et le tantalate de lithium ainsi que l'oxyde d'aluminium. La manière la plus commode de former les électrodes 16, 13, PO et ?P est d'utiliser le dépôt à partir de la vapeur de matériaux conducteurs de l'électricité tels que de l'or sur cfu chrome ou de l'aluminium en utilisant l'un des nombreux procédés connus de la technique antérieure. Lorsque les électrodes sont formées par dépôt à partir de vapeur, un masque est placé sur la surface du substrat 1? ou de la couche 14 pour la recouvrir totalement excepté la partie dans laquelle l'électrode doit être formée et la partie prolongée dans laquelle le conducteur doit être formé. Le procédé préféré de formation de la couche piézoélectrique 14 est le dépôt par vaporisation d'une couche de matériau piézoélectrique sur la surface de la pastille 1P. Des matériaux choisis dans le groupe comprenant le sulfure de cadmium, le séléniure de cadmium, l'oxyde de zinc, l'oxyde de béryllium, le sulfure de zinc et de wurtzite et des solutions solides de ces matériaux peuvent être déposés en phase vapeur sur la surface d'un substrat avec une orientation permettant d'obtenir un mode de vibration par augmentation de l'épaisseur ou une réponse en cisaillement. Il est bien entendu que la liste ci-dessus n'est pas exhaustive et que d'autres matériaux présentant des caractéristiques plus favorables peuvent être trouvés et que l'emploi de ces matériaux entre dans le cadre de l'invention. La couche 14 est déposée de préférence sur un substrat de quartz. Le dispositif de la Pig.l peut utiliser, comme décrit, un matériau piézoélectrique présentant un mode de vibration par variation de l'épaisseur. Toutefois, l'invention n'est pas limitée à ce matériau et on peut utiliser une pellicule piézoélectrique qui présente une réponse en cisaillement, son axe piézoélectrique étant parallèle à la surface du substrat 1? ou incliné par rapport à cette dernière. Un procédé de dépôt de sulfure de cadmium en phase vapeur 69 18784 5 2010304 est décrit dans l'article intitulé "Ultrahigh-frequenoy, CdS Tranducers" IEEE Transactions on Sonies and Ultrasonics, Yo.SU-11, N°?j pp.63-68 (1964) par N.F. Foster et dans l'article intitulé "Cadmium Sulphide Evaporated Layer Transducers", Proc. IEEE, ^ 7ol.53* n°10. pp.l400-l405 (1965) par N.F. Foster. La dernière publication étudie l'obtention d'une certaine orientation permettant de produire un mode de vibration par cisaillement en épaisseur. De telles techniques conviennent pour former la couche l-k représentée à la Fig.l. jq Une combinaison préférée pour le mode de réalisation repré senté à la Fig.l comprend la pellicule formée par dépôt de vapeur de sulfure de cadmium sur le substrat 12 de quartz à"taille AT" (taillé à 35° de l'axe Z du cristal mère). L'élément en sulfure de cadmium est déposé de préférence en phase vapeur au moyen d'un procédé similaire à celui décrit dans la publication de N.F. Foster avec une orientation permettant d'obtenir un mode de vibration en cisaillement - suivant l'épaisseur. Pour obtenir une stabilité à la température optimale, le substrat 12 a "taille AT" est taillé de manière un peu inhabituelle, de sorte que le quartz présente 2Q une caractéristique température-fréquence légèrement positive qui compense la caractéristique température-fréquence négative plus grande du sulfure de cadmium. On préfère de beaucoup le quartz à taille AT en raison de sa stabilité à la température et de ses caractéristiques mécaniques très intéressantes. 25 Comme il est bien connu des spécialistes, le mode de vibra tion fondamental d'une plaque de cristal est déterminé par l'orientation de la plaque par rapport aux axes cristallographi- ques du cristal à partir duquel elle est découpée. On sait par tartrate dipotassique exemple que au ^.x/taiiie à zéro degré suivant 1 axe Z ou du ■jq quartz à "taille AT" peut être utilisé pour obtenir un mode de vibration de cisaillement en épaisseur. Certaines compositions céramiques telle^ue les zirconates de titanate de plomb peuvent également être utilisés pour des bandes passantes plus larges. On préfère le quartz à taille AT comme matériau pour le substrat en raison de son coefficient Q élevé et de son coefficient fréquence-température faible et la description ci-dessous se rapporte à ce matériau. L'article de Foster mentionné ci-dessus indique que la vapeur de sulfure de cadmium déposée suivant un certain angle entre le faisceau moléculaire et le plan du substrat présente une 69 18784 6 2010304 réponse de cisaillement. La réponse rulsaillement est optimale lorsque l'angle réel entre l'axe c_ de la pellicule de sulfure de cadmium et la perpendiculaire à la surface de la pellicule est compris entre 20 et 40° et est maximale à 30° environ. 5 Des éléments résonateurs sont formés par des parties de la couche ou pellicule piézoélectrique 14, les paires d'électrodes associées et la partie du substrat comprise entre les paires d'électrodes. Entre les éléments résonateurs associés à la paire d'électrodes 16 et 18 et à la paire.d'électrodes 20 et 22 peuvent 10 être disposés des éléments similaires pour former un filtre composite à modes couplés et à résonateurs multiples, comme représenté à la Fig.2, afin d'augmenter la pente des. limites de la bande passante. Comme représenté à la Fig.2, les parties de la pellicule qui sont associées aux éléments résonateurs intermé- (charsees) 15 diaires sont soumises à des masses/.Les espacements des parties de la couche piézoélectrique entre les paires successives d'électrodes de la Fig.2 ou entre les paires d'électrodes 16 et 13 et 20 et 22 de la Fig.l ne sont pas rendus suffisants pour obtenir une isolation acoustique entre-elles mais sont prévus au contraire 20 pour réaliser un couplage mécanique entre une paire d'électrodes et la suivante. La pellicule piézoélectrique 14 est de préférence continue, d'un jeu d'électrodes au suivant et recouvre de préférence la majeure partie du substrat. Dans la présente application, le couplage entre les résona-25 teurs est critique ou très près de l'être. Afin de choisir les paramètres mesurés, pour obtenir le couplage désiré,, il peut être utile.de définir mathématiquement le couplage entre résonateurs. Un filtre composite à modes couplés, comme représenté à la Fig.l, peut être considéré comme 30 constitué par deux éléments résonateurs composites situés de la manière indiquée précédemment. Dans une certaine mesure, peut être.infiniment petite, il existe toujours un certain couplage mécanique entre les deux éléments résonateurs. Ensuite, il existe un mode de vibration méca-35 nique bien défini de l'agencement entier (deux paires d'électro-■ des, la pellicule commune et le substrat) pour lequel les deux éléments résonateurs vibrent suivant un mode d'allongement en épaisseur (ou aussi de- cisaillement. en épaisseur) et pour lequel les éléments résonateurs vibrent en phase l'un par rapport à 40 l'autre; ce mode de vibration de l'agencement entier est appelé 69 18784 7 2010304 le mode symétrique (même si des éléments résonateurs individuels peuvent vibrer suivant des modes antisymétriques) et la fréquence caractéristique de ce mode est appelée fgym- Sauf pour un cas dégénéré qui ne se produit pas si les 5 éléments résonateurs sont suffisamment bien séparés, il existe toujours un mode de vibration bien défini de l'agencement entier pour lequel les deux éléments résonateurs vibrent en mode d'allongement en épaisseur (ou également de cisaillement en épaisseur) et pour lequel les éléments résonateurs vibrent de façon déphasée 10 l'un par rapport à l'autre; ce mode de vibration de liagencement entier est appelé le mode antisymétrique (même si des éléments résonateurs individuels peuvent vibrer suivant des modes symétriques) et la fréquence caractéristique de ce mode est notée faSym Les deux fréquences caractéristiques sont des paramètres facile- T5 ment mesurables; f coïncide avec la fréquence de résonance à J sym faible impédance de l'agencement à deux bornes, obtenue lorsque la borne 26 (de la Fig.l) est connectée à la borne j5Q et lorsque la borne 24 est connectée à la borne 28, et f coïncide avec la asym fréquence de résonance à faible impédance de l'agencement à deux 20 bornes obtenu lorsque la borne 26 est connectée à la borne 28 et la borne 24 est connectée à la borne J>0. Le couplage K entre résonateurs peut être défini comme suit : f f K = asym ~ sym l/f x f ' V asym sym Le couplage K entre résonateurs est une fonction de propriétés élastiques des électrodes, de la pellicule et du substrat et de leurs dimensions ainsi que du couplage électro-mécanique de la pellicule. Pour des matériaux donnés des électrodes, de la pellicule et du substrat, la commande du couplage entre résonateurs est fournie par les variations de§ dimensions des électrodes de la pellicule et du substrat. En particulier, le couplage entre résonateurs décroît avec 30 l'augmentation des dimensions des électrodes (dimensions latérales et épaisseur) et avec l'augmentation de l'écart entre les résonateurs. La relation mathématique exacte entre K et les paramètres affectant K est une relation complexe qui n'est pas indi-quée quantitativement ici du fait qu'elle repose sur une analyse théorique compliquée. On sait toutefois que pour des écarts importants des résonateurs (de l'ordre des dimensions latérales 18784 3 2010304 d'un élément résonateur- ou supérieures), K diminue à peu près comme une fonction exponentielle de l'augmentation de l'écart entre les résonateurs. La bande passante fractionnaire d'un filtre composite à modes couplés est presque directement proportionnelle au couplage entre les éléments résonateurs. Ainsi, pour une bande passante désirée, dans les limites imposées par le couplage électro-méca-nique des éléments résonateurs, on peut déterminer un couplage désiré entre résonateurs; les matériaux des électrodes, de la pellicule et du substrat ainsi que leurs dimensions doivent être choisis pour obtenir ce couplage. La distance entre les éléments résonateurs n'est pa's le seul critère permettant de choisir les paramètres pour obtenir le couplage requis. De la description ci-dessus du filtre composite à modes couplés, on peut déduire que l'écart entre les éléments résonateurs du filtre composite est petit en comparaison de l'écart entre les éléments résonateurs d'agencements antérieurs. Ceci toutefois n'est pas entièrement vrai. Si par exemple, on désire obtenir un filtre composite à modes couplés et à bande passante étroite, il se peut que les éléments résonateurs soient séparés par une distance aussi grande ou plus grande que les éléments résonateurs d'un type connu qui sont séparés de façon à éviter le couplage. Par conséquent, l'a distinction entre les deux agencements ne peut être constituée simplement par l'écartement entre les éléments résonateurs ni même le couplage entre-résonateurs de ces éléments. La distinction entre les deux agencements réside plutôt dans la nature critique de l'écart entre résonateurs dans le cas du filtre composite à modes couplés. En ce qui concerne l'agencement classique, une petite variation de l'écart entre les éléments résonateurs ne modifie aucune des caractéristiques de cet agencement tandis que, pour le filtre composite à modes couplés décrit ici, une petite modification de l'écart entre les éléments résonateurs provoque une variation immédiate de la bande passante du dispositif. Le concept de couplage critique est mis en jeu. Un filtre composite à modes couplés ayant une impédance aux bornes appropriée est un agencement à couplage presque critique, dans le sens habituel de l'expression couplage critique. La diminution ou l'augmentation du couplage entre résonateurs d'un filtre composite 69 18784 9 2010304 10 à modes couplés ayant des impédances aux bornes appropriées fournit une structure souscouplée ou surcouplée respectivement. Toutefois, suivant les caractéristiques désirées du filtre, un filtre composite à modes couplés et à impédance aux bornes convenable peut être légèrement surcouplé ou souscouplé. L'un des buts de l'invention est de fournir un filtre ayant une bande passante relativement large et dont les flancs sont raides, qui est utile dans les gammes à fréquence relativement élevée comprises entre 100 et 1000 MHz environ. Un autre but de l'invention est de fournir un filtre miniature d'ondes électriques avec une bande passante comprise dans la gamme de 0,1$ à de sa fréquence centrale, présentant des pertes d'insertion minimales, une forte atténuation dans la bande coupée, une forte discrimination entre les fréquences de la bande passante et celles de la bande coupée et une fréquence centrale comprise entre 100 MHz à 1000 MHz. Les gammes citées pour la bande passante et la fréquence centrale ne doivent pas être considérées comme des limites à l'utilité du dispositif proposé; ces gammes ont été données en raison du fait qu'en dehors d'elles, il existe d'autres moyens permettant d'assurer un filtrage efficace tandis que, dans les gammes citées, il n'existe pas' actuellement de tels moyens. Les filtres à flancs de bande passante relativement raides qui ont été utilisés par le passé ont été utiles principalement pour les fréquences basses. Des exemples de ces filtres sont les filtres à inductance et capacité et les filtres piézoélectriques (dont certains sont également des filtres à modes couplés). Le filtre à modes couplés le plus simple se compose de deux paires d'électrodes identiques pour former deux résonateurs identiques sur un substrat piézoélectrique commun tel que du quartz à taille AT. Les deux résonateurs sont couplés de sorte que, lorsqu'un résonateur est commandé électriquement à sa fréquence de résonance, l'autre résonateur est excité et une sortie électrique est recueillie sur les électrodes du second résonateur. D'autre part, lorsqu'un résonateur est commandé électriquement à une fréquence éloignée de sa fréquence de résonance, aucun des résonateurs n'est excité et par suite il n'apparaît pas de sortie électrique entre les électrodes du second résonateur. Dans un tel filtre à modes couplés, il existe deux modes de vibration distincts ayant des fréquences de résonance diffé25 30 35 69 18784 10 2010304 rentes, les deux étant contenues dans la même bande passante. La raideur des flancs de la bande passante et la sélectivité du filtre dépendent fortement du nombre de fréquences de résonance associées aux filtres et par conséquent le filtre à modes couplés 5 est par nature un filtre plus sélectif qu'un filtre à transformateur à pellicule mince de type classique. En général, un filtre à modes couplés se composant d'un réseau de n résonateurs non nécessairement identiques peut comporter (à titre d'exemple mais non nécessairement) n modes de vibration différents ayant des 10 fréquences de résonance différentes qui sont toutes contenues dans une même bande passante du filtre. Un filtre à modes couplés peut être d'autant plus sélectif qu'il comporte plus de modes de vibration. Le filtre à transformateur à pellicule mince d'autre part ne comporte qu'un seul mode de vibration et par conséquent je, qu'une seule fréquence de résonance. On peut considérer un filtre à modes couplés comme un réseau de résonateurs piézoélectriques de sorte qu'il apparaît un couplage entre les résonateurs de certaines paires de résonateurs. Cette approximation conduit à une représentation du dispo-pO sitif sous forme d'un circuit du type en échelle. Un filtre à modes couplés peut également être considéré comme un résonateur piézoélectrique présentant une série de modes de vibration liés de façon anharmonique dont chacun peut être excité indépendamment à partir de l'une ou l'autre des deux paires 25 d'électrodes. La réponse du filtre est liée directement à la fréquence caractéristique de chaque mode de vibration, au coupla--ge électromécanique (sur chaque paire d'électrodes) de chaque mode de vibration et à la-phase relative (entre les paires d'électrodes) 'de chaque mode de vibration. Cette conception conduit -jq à une représentation du dispositif sous forme de réseau complet et de réseau hybride. A titre d'exemple, ■ les fréquences caractéristiques des deux modes de vibration du filtre à modes couplés et à deux résonateurs coïncident à peu près avec les limites de la bande passante. La ^5 différence entre les fréquences caractéristiques et par conséquent la bande passante du filtrerest fonction du couplage entre les résonateurs. Le couplage entre résonateurs est fonction des dimensions des électrodes des résonateurs, de l'épaisseur du matériau piézoélectrique, de: l'écart entre les résonateurs et des 2j.0 propriétés des électrodes, du substrat et de la" pellicule piézo 69 18784 ii 2010304 électrique. Le couplage et la bande passante augmentent lorsque les résonateurs sont rapprochés l'un de l'autre et diminuent en particulier lorsque l'épaisseur des électrodes est augmentée. En ce qui concerne le filtre à modes couplés comportant une série ^ de résonateurs, la relation entre la bande passante et les dimensions des électrodes et du substrat et l'écartement des résonateurs est généralement identique (bien que légèrement plus complexe) à celle correspondant au dispositif à deux résonateurs. Le filtre au quartz à modes couplés se. compare mieux à un jO filtre au quartz en réseau hybride tel que celui représenté schématiquement à la Fig.J, dans lequel un transformateur est utilisé en combinaison avec deux résonateurs séparés. Avant l'avènement des filtres à modes couplés, le filtre au quartz en réseau hybride étant le dispositif qui convenait le mieux pour obtenir des filtres à bandes passantes étroites et stables, présentant un affaiblissement important dans la bande coupée et dont les bandes passantes étaient centrées dans la gamme de 10 à 100 MHz. Le filtre à modes couplés et le filtre en réseau hybri de sont électriquement équivalents et chacun est électriquement 20 équivalent à un filtre en réseau complet. Le filtre en réseau complet contient deux fois plus de résonateurs que son équivalent en réseau hybride et ainsi, il ne présente actuellement qu'un intérêt historique. Théoriquement, les trois types de filtre peuvent assurer un 25. affaiblissement infini dans la bande coupée. Toutefois, dans la pratique, on constate que l'affaiblissement maximum dans la bande coupée est fini . En ce qui concerne le réseau hybride de la Fig.3> si les deux moitiés du transformateur sont identiques, s'il n'existe pas de perte dans les résonateurs et si les capaci- ■7n tés statiques des deux résonateurs sont identiques, l'affaiblisse -?u coupee ment maximal dans la bande/est infini. En ce qui concerne le filtre à modes couplés, l'affaiblissement infini dans la bande coupée s'obtient théoriquement en ignorant les pertes dans les résonateurs et s'il n'existe pas de capacités parasites entre les bornes d'entrée et de sortie. Dans la pratique, on obtient un affaiblissement maximal dans la bande coupée plus grand avec le filtre à modes couplés qu'avec le filtre équivalent en réseau hybride en raison du fait qu'il est plus facile de réduire les capacités parasites entre l'entrée"et la sortie à une valeur minimale (simplement au moyen d'un blindage approprié) que d'é 69 18784 i ? 2010304 10 quilibrer les moitiés de transformateur ainsi que les capacités statiques des résonateurs. Le filtre à modes couplés présente en particulier une perte d'insertion minimale plus faible que son équivalent hybride du fait que les pertes dans les' transformateurs nécessaires pour les filtres en'réseau hybrides sont notablement plus grandes que dans les résonateurs piézoélectriques de l'un ou l'autre dispositif. Comme les transformateurs sont de grandes dimensions par rapport aux résonateurs au quartz, le filtre à modes couplés nécessite un boîtier plus petit que le filtre équivalent en réseau hybride. Le filtre composite à modes couplés présente des avantages par rapport à un filtre simple à modes couplés, c'est-à-dire*un fonctionnement à une fréquence beaucoup plus élevée. Etant donné qu'il existe un choix de matériaux pour la pelli cule et le substrat, on peut utiliser des matériaux ayant des caractéristiques de température opposées qui sont à peu près aussi stables en températures que pour un filtre simple au quartz à modes couplés, et bien meilleurs que pour les filtres à modes couplés construits à partir de matériaux piézoélectriques autres que le quartz .- Comme dans la comparaison entre le résonateur composite et le résonateur simple, il est possible d'obtenir pour les trans ducteurs d'entrée et de sortie de la structure composite un couplage électromécanique plus important que pour l'es transducteurs d'entrée et de sortie de la structure simple fonctionnant dans la gamme de 100 à' 1000 MHz. Il en- résulte que dans cette gamme de fréquences des bandes passantes plus grandes peuvent être réalisées avec le filtre composite à'modes couplés qu'avec le filtre simple à mo'des couplés. -jq Le couplage électromécanique k plus grand résulte du fait qu'avec une structure'simple à modes utilisant des harmoniques supérieurs, le couplage électromécanique est réduit du facteur l/n, n étant l'ordre de l'harmonique supérieur. Avec la structure composite, le facteur de couplage du dispositif est réduit d'environ l//n, n étant choisi de façon que la pellicule active ne soit pas éloignée d'une moitié de longueur d'onde acoustique. La plus faible réduction est due au fait que l'énergie diélectrique n'est emmagasinée dans la pellicule active que lorsqu'il n'y a pas d'annulation. Avec une plaque en quartz à taille AT 40 ^:r'ecluence fondamentale de 30 MHz, le couplage électromécanique P0 25 35 69 18784 13 2010304 effectif k à 270 MHz n'est ainsi que de 0,01. Avec une structure composite au quartz-CdS (mode de cisaillement avec l'axe Z du CdS à 39° par rapport à la normale à la plaque) le coefficient effectif k à 270 MHz est d'environ 0,06, la fréquence fondamentale étant 5 également de J>0 MHz et la pellicule de CdS ayant une épaisseur égale à une demi-longueur d'onde environ à 270 MHz. Le filtre composite à modes couplés présente également des avantages par rapport- au filtre en réseau hybride utilisant des résonateurs composites. Pour les raisons données ci-dessus, le 10 filtre composite à modes couplés doit présenter une perte d'inser- un tion minimale plus faible,'"/affaiblissement dans la bande coupée plus élevé, une masse plus petite et un volume moindre que les filtres à réseau hybride utilisant des résonateurs composites. Un résonateur composite de type classique est un résonateur 15 piézoélectrique présentant une gamme extrêmement étendue de paramètres en comparaison des autres résonateurs piézoélectriques et présentant d'autres avantages par rapport aux autres structures résonantes, en particulier dans la gamme de fréquence de 100 à 1000 MHz. Les circuits à inductance et capacité accordées pré-20 sentent des pertes élevées. Les adaptateurs des lignes de transmission et les cavités des guides d'ondes sont grands. Les résonateurs à quartz qui doivent fonctionner aux harmoniques supérieures pour maintenir une certaine robustesse de structure présentent des capacités dynamiques réduites et un faible couplage 25 piézoélectrique; les filtres qui ne contiennent gue des résonateurs ayant un couplage piézoélectrique faible ne peuvent pas présenter de bandes passantes étendues. Avec le résonateur composite, l'énergie diélectrique n'est emmagasinée que dans une partie du résonateur, par exemple une demi-longueur d'onde, tandis 30 qu'avec un résonateur classique dont l'épaisseur est égale à plusieurs demi-longueurs d'onde, l'énergie diélectrique est emmagasinée dans le résonateur entier. L'annulation diélectrique est donc éliminée dans le résonateur composite; le couplage piézoélectrique et la capacité dynamique sont augmentés par rapport au cas 35 dans lequel le résonateur entier est attaqué électriquement à un harmonique supérieur élevé. On peut faire varier l'épaisseur relative de la pellicule de façon à abandonner les propriétés de la pellicule au profit des propriétés du substrat; par exemple dans le filtre composite au quartz et à- pellicule piézoélectrique, le 40 couplage piézoélectrique plus grand fourni par la structure munie 69 18784 14 2010304 de pellicules ayant de bonnes propriétés piézoélectrique est abandonné au profit du facteur de qualité mécanique plus grand du quartz. En principe toutefois, une pellicule peut présenter un facteur de qualité mécanique aussi élevé que celui du quartz. 5 Une autre caractéristique importante pour les résonateurs piézoélectriques est la variation de la fréquence de résonance en fonction de la température; il est possible de combiner un substrat ayant une relation fréquence-température telle que cette dernière annule pratiquement la relation fréquence-température 10 de la pellicule piézoélectrique de sorte que la fréquence de résonance de la structure composite est pratiquement constante malgré les variations de température. Le filtre composite à modes couplés le plus simple selon l'invention et qui est représenté à la Fig.l se compose de deux 15 résonateurs composites identiques qui sont disposés sur un substrat commun et sont couplés mécaniquement. Les électrodes d'un résonateur constituent les bornes d'entrée du filtre et les électrodes de l'autre résonateur constituent les bornes de sortie du filtre. Le filtre composite à.modes couplés le plus général se composé PO d'un réseau, tel que celui représenté à la Fig.? de n résonateurs composites (qui ne sont pas nécessairement tous identiques) disposés sur un substrat commun et pouvant avoir n modes de vibration distincts. Le filtre composite à modes couplés représenté aux Figs. 1 et ?5 2 selon l'invention n'est pas comparable aux filtres disponibles jusqu'à maintenant en raison du fait que dans la gamme de 100 à 1000 MHz, ce sont des filtres passe-bande très peu satisfaisants. Les filtres à lignes de transmission et les filtres à cavité sont de grandes 'dimensions. Les filtres à capacité et -inductance sont 20 également encombrants., présentent des pertes élevées et sont tout à fait insuffisants pour .le filtrage à rendement élevé. A part le résonateur composite, il n'existe pas de résonateur piézoélectrique disponible pour les filtres passe-bande centrés au-dessus de 100 MHz. . 35 Un équivalent électrique théorique du filtre composite à modes couplés est un filtre en réseau hybride. Toutefois, le filtre composite à modes couplés doit présenter une perte d'Insertion minimale plus faible et un affaiblissement dans la bande coupée plus élevé que le filtre composite en réseau hybride théori-i|0 quement équivalent avec les caractéristiques réelles du transfor 69 18784 15 2010304 10 mateur d'équilibrage. On peut généralement fabriquer le filtre composite à modes couplés en faisant appel à des procédés similaires à ceux utilisés pour un filtre à transformateur et pellicule mince . Le dispositif peut fonctionner suivant des modes de vibration d'agrandissement en épaisseur ou de cisaillement en épaisseur. On peut utiliser une série de ~ pellicules minces. Chaque résonateur individuel peut être constitué d'un certain nombre d'électrodes interconnectées comme pour le filtre à transformateur et pellicule mince. Les résonateurs individuels peuvent être disposés suivant un réseau linéaire ou rectangulaire. Les électrodes des résonateurs individuels, sauf les résonateurs d'entrée et de sortie, peuvent être mises à la masse ou non, et en fait ces résonateurs ne nécessitent pas 15 d'électrodes. Comme indiqué précédemment, pour un filtre (simple ou composite) à modes couplés et à n résonateurs, pour lequel les résonateurs sont suffisamment espacés pour éviter les cas dégénérés, il existe n modes de vibration. La description suivante des n 20 modes d'un filtre à n résonateurs est limitée aux filtres à modes couplés constitués par des réseaux linéaires à résonateurs couplés . Pour les deux modes du filtre à modes couplés et à deux résonateurs, les deux résonateurs vibrent suivant des modes 25 d'allongement en épaisseur ou de cisaillement en épaisseur. En ce qui concerne le mode de la structure entière présentant la fréquence caractéristique la plus basse, les résonateurs vibrent en phase l'un avec l'autre et en ce qui concerne le mode de la structure entière ayant la fréquence caractéristique plus haute, 20 les résonateurs vibrent de façon déphasée l'un par rapport à l'autre. Les deux modes de la structure entière sont excitables électriquement à partir des bornes de l'un ou l'autre résonateur, le second résonateur étant court-circuité. Pour les trois modes flu filtre à modes couplés et à trois 25 résonateurs, les trois résonateurs vibrent suivant le mode d'allongement en épaisseur ou de cissaillement en épaisseur. Pour le mode de la structure entière ayant la fréquence caractéristique la plus basse, les résonateurs vibrent en phase les uns par rapport aux autres. Pour les modes de vibration de la structure entière 40 ayant la fréquence caractéristique la plus haute,les résonateurs 69 18784 16 2010304 de chaque paire de résonateurs. adja.cênts vibrent de façon déphasée l'une par rapport à l'autre; en particulier, les résonateurs extrêmes vibrent en phase. Pour l'autre mode de la structure entière pour lequel la fréquence caractéristique est à peu près 5 égale à la moyenne géométrique des fréquences caractéristiques la plus haute et la plus basse, les résonateurs d'extrémité vibrent de façon déphasée l'un par.rapport à l'autre et les.deux moitiés du résonateur central vibrent de façon déphasé l'un par rapport à l'autre. Pour le mode 'de la structure entière ayant la 10 fréquence caractéristique la plus basse, les résonateurs d'extrémité vibrent en phase, pour le mode de la structure entière ayant la fréquence caractéristique la plus basse, les résonateur.s d'extrémité vibrent.de façon déphasée et pour la troisième fréquence caractéristique la plus basse, les résonateurs d'extrémité vibrent 15 en phase. Les trois modes de la structure entière sont excitables électriquement à partir de la paire de bornes de l'un ou l'autre résonateur d'extrémité, les autres résonateurs étant court-cireui~ « ' es" L'existence des n modes de vibration du filtre (simple) à 20 modes couplés et à n résonateursa été vérifiée empiriquement par les Laboratoires de Bell Téléphoné; les résultats expérimentaux ont été donnés par W.D.Beaver au Vingt-et-Unième Symposium Annuel sur la Commande des Fréquence dans son article intitulé " Theory and Design of the Monolithic Crystal Filter". 25 En général, pour les n modes du filtre à modes couplés et à n résonateurs, les n résonateurs vibrent en allongement suivant l'é-paisseur( ou pour tous les modes, tous les résonateurs vibrent en cisaillement suivant 1'épaisseur)."Pour le mode de la structure entière ayant la fréquence caractéristique la plus basse, les réso-30 nateurs d'extrémité vibrent de façon déphasée, pour le mode de la structure entière ayant la troisième fréquence caractéristique la plus basse, les résonateurs d'extrémité vibrent en phase. La totalité des n modes de la structure entière sont excitables-électriquement à partir des deux bornes de l'un ou l'autre résonateur 35 d'extrémité, les autres résonateurs étant court-circuités. Bien entendu, I1invention n1est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. 69 18784 17 2010304 10 15 REVENDICATIONS 1. - Filtre composite à modes couplés, caractérisé en ce qu'il est constitué par la combinaison d'un substrat , d'une couche de matériau piézoélectrique disposée sur le substrat et d'une série d'électrodes dont chacune recouvre des parties différentes des surfaces de la pellicule piézoélectrique pour former des électrodes d'entrée et de sortie, les structures résonantes ainsi formées étant espacées de sorte que le couplage détermine la caractéristique de bande passante du filtre. 2. - Filtre composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux parties de la surface comportant la pellicule piézoélectrique sont munies d'électrodes, deux électrodes situées sur les surfaces opposées d'une partie de la pellicule formant les électrodes d'entrée et les deux électrodes situées sur les surfaces opposées d'une autre partie de la pellicule constituant les électrodes de sortie. 3. - Filtre composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux électrodes situées sur des surfaces opposées d'une partie de la pellicule piézoélectrique constituent des électrodes d'entrée, deux électrodes situées sur des surfaces opposées d'une partie différente de la pellicule piézoélectrique constituent des électrodes de sortie et des parties intermédiaires de la pellicule situées entre les électrodes d'entrée et de sortie sont 25 ' chargées par des masses Pour former une série de résonateurs. 4. - Filtre composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la pellicule piézoélectrique est de l'ordre du dixième de celle de substrat et l'épaisseur des électrodes est de l'ordre du dixième de celle de la pellicule piézoélectrique. 5. - Filtre composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pellicule piézoélectrique est constituée par des matériaux piézoélectriques déposés en phase vapeur et choisis dans le groupe comprenant le sulfure de cadmium, le séléniure de cadmium, l'oxyde de zinc, l'oxyde de béryllium, le sulfure de zinc et de wurtzite, le nitrure d'aluminium et de wurtzite et le niobate de lithium, le tantalate de lithium et des solutions solides de ces matériaux. 6. - Filtre composite selon la revendication 1, caractéri-sé en ce que la pellicule est montée sur un substrat formé à par20 30 35 69 18784 13 2010304 tir d'un matériau choisi dans le groupe comprenant le quartz, le gallate de lithium, le niobate de lithium, le tantalate de lithium, l'oxyde d'aluminium, l'invar et l'élinvar. 7. - Filtre composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fréquences caractéristiques sont choisies de manière à obtenir un couplage critique entre électrodes. 8. - Filtre composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fréquences caractéristiques sont choisies de manière à obtenir un couplage entre électrodes compris dans la gamme allant du léger souscouplage au léger surcouplage avec une terminaison convenable du filtre.