Brevet FR2625854A1 — publié le 19890713

L'invention concerne le domaine de développement des dispositifs électro- acoustiques, et notamment, des résonateurs à céramique piézo-électrique à fréquence de résonance commandée. L'invention peut être appliquée pour commander la fréquence de résonance dans des dispositifs radio- électriques, ainsi qu'en qualité de capteurs dans des dispositifs sensoriels de commutation. On connaît un résonateur à céramique piézo- électrique à fréquence de résonance commandée (Weskon, USA, "Small-signal Applications of Monolithic multiport piezo- electrical devices", 315, pages 1 à 14), comprenant un élément conducteur acoustique muni d'électrodes de signal et d'une électrode de commande mobile permettant de faire varier mécaniquement la surface en contact avec le conducteur acoustique. Le résonateur connu est caractérisé par une plage réduite de variation de la fréquence de résonance et par une irrégularité sensible de la caractéristique de commande de la fréquence de résonance, la commande étant réalisée mécaniquement. La variation mécanique de la surface utile de l'électrode de commande conditionne aussi la lenteur de la variation de la fréquence du résonateur connu. L'antériorité la plus proche de la solution tech- nique revendiquée, quant à son idée et à l'effet obtenu à l'aide de cette solution, est le résonateur à céramique piézo-électrique à fréquence de résonance commandée (JP2A25227020), comprenant un élément conducteur acoustique en céramique piézo-électrique ayant une forme de parallé- lépipède et muni de deux électrodes de signal disposées sur ses deux faces opposées, perpendiculaires à la direc- tion de la polarisation dudit conducteur acoustique et de deux électrodes de commande disposées sur ses faces orthogonales auxdites faces opposées, ainsi qu'une source réglable de tension continue, dont les sorties sont raccordées aux électrodes de commande, et une source de tension de signal, dont les sorties sont raccordées aux électrodes de signal. Le résonateur à céramique piézo-électrique à fréquence de résonance commandée connu se caractérise par une faible rapidité de variation de la fréquence de résonance, due à la raideur insuffisante de la caractéristique de commande, notamment, en l'absence de la possibilité d'une commutation à seuil de la fréquence de résonance, vu qu'on ne peut pas faire basculer l'orientation des domaines dans tout le volume de l'élément conducteur acoustique se trouvant entre les électrodes de commande, la polarisation du résonateur étant gelée. L'invention vise à créer un résonateur à céramique piézo-électrique à fréquence de résonance commandée du type ci-dessus, qui permettrait de réaliser le basculement de l'orientation des domaines dans tout le volume de l'élément conducteur acoustique et d'effectuer une commu- tation à seuil de la fréquence de résonance, autrement dit, d'augmenter la rapidité de sa variation, donc, d'améliorer la sensibilité du résonateur. L'idée de l'invention consiste en ce que, dans un résonateur à céramique piézo-électrique à fréquence de résonance commandée comportant un élément conducteur acoustique en céramique piézo-électrique ayant la forme d'un parallélépipède et muni d'électrodes de signal, disposées sur ses faces opposées perpendiculaires à la direction de sa polarisation et d'électrodes de commande, disposées sur les faces orthogonales auxdites faces oppo- sées, ainsi qu'une source de tension continue réglable dont la sortie est raccordée aux électrodes de commande, et une source de tension de signal, dont la sortie est raccordée aux électrodes de signal, selon l'invention, l'élément conducteur acoustique en céramique piézo- électrique comprend deux couches de structure identique, polarisées en opposition l'une par rapport à l'autre, disposées symétriquement par rapport à un plan de l'élément conducteur acoustique parallèle aux faces de ce dernier portant les électrodes de signal, les propriétés physiques du matériau des électrodes de signal satisfaisant à l'inégalité: r | ^A | q t|,o t est le facteur de traitement superficiel du matériau du conducteur acoustique, A A est la différence entre le travail de sortie d'électrons du matériau céramique piézo-électrique et le travail de sortie d'électrons du matériau de l'électrode de signal, q est la charge d'électrons, y est la différence de potentiel de contact à l'interface des couches polarisées en opposition, tandis que chaque zone superficielle (la surface comprise) de l'élément conducteur acoustique, adjacente à la face correspondante portant l'une des électrodes de commande, est réalisée comme une région à défauts de structure. Pour atteindre la rapidité maximale de variation de la fréquence de résonance, il est préférable que chaque région à défauts de structure soit dopée aux ions d'aluminium, la concentration de ces ions étant supérieure à la densité de charge d'écran de la polarisation des couches de l'élément conducteur acoustique en céramique piézo-électrique. Il est possible de doper chaque région à défauts de structure aux ions de platine avec une concentration en ions de platine supérieure à la densité de charge d'écran de la polarisation des couches de l'élément conducteur acoustique en céramique piézo-électrique. On peut aussi doper chaque région à défauts de structure à obtenir aux ions d'or avec une concentration dépassant la densité de charge d'écran de la polarisation des couches de l'élément conducteur acoustique en céra- mique piézo-électrique. Le plus avantageux est de porter la concentration de défauts dans chacune desdites régions à défauts de 23 3 structure, à une valeur supérieure à 1023 im3 L'invention permet de construire des résonateurs solides à fréquence de résonance commandée, hautement sensibles, ayant un facteur de qualité élevé. Dans ce qui suit, l'invention sera expliquée sur un exemple concret non limitatif de sa réalisation, à l'aide d'un dessin annexé non limitatif, dans lequel: - la figure unique représente la structure et le schéma de connexion d'un résonateur à céramique piézo- électrique à fréquence de résonance commandée,selon l'invention. Le résonateur à céramique piézo-électrique à fréquence de résonance commandée comporte un élément conducteur acoustique 1 en matériau céramique piézo- électrique et ayant la forme d'un parallélépipède. Ses faces opposées, perpendiculaires à la direction de sa polarisation, portent des électrodes de signal 2, 3. Deux autres faces, orthogonales à ces premières, portent des électrodes de commande 4, 5. Le résonateur à céramique piézo-électrique à fréquence commandée comporte, de plus, une source réglable de tension électrique continue 6, dont les sorties sont raccordées aux électrodes de commande 4, 5, et une source de tension de signal 7, dont les sorties sont raccordées aux électrodes de signal 2, 3. L'élément conducteur acoustique 1 comprend deux couches de structure identique 8, 9, polarisées en opposition à vecteurs de polarisation , 11, disposées symétriquement par rapport à un plan 12 de l'élément conducteur acoustique 1, parallèle à ses faces portant les électrodes de signal 2, 3, et chaque zone superficielle (la surface comprise) 13, 14, adjacente aux électrodes de commande 4, 5 est une région à défauts de structure. Les régions à défauts de structure peuvent être formées par dopage aux ions d'or. Il est possible de doper les régions à défauts de structure à obtenir aux ions de platine. Il est aussi possible que les régions à défauts de structure s'oient dopées aux ions d'aluminium. La source de tension continue 6 est nécessaire pour alimenter les électrodes de commande 4, 5 en tension de commande servant à faire varier la fréquence de résonance de l'élément conducteur acoustique 1. Les vibra- tions acoustiques de résonance dans l'élément conducteur acoustique 1 sont excitées en appliquant, aux électrodes de signal 2 et 3, une tension électrique venant de la source de tension de signal 7. Le résonateur à céramique piézo-électrique à fréquence de résonance commandée fonctionne comme suit. La source de tension de signal 7 est branchée entre les électrodes de signal 2 et 3 disposées sur deux faces opposées de l'élément conducteur acoustique 1. Lorsqu'il y a coïncidence de la fréquence des oscillations harmoniques de la source 7 avec la fréquence de résonance propre du résonateur à céramique piézo-électrique à fréquence commandée, déterminée par la présence des couches de structure identique et de polarisation opposée 8, 9, dont les vecteurs de polarisation sont orientés perpendi- culairement par rapport aux électrodes de signal 2, 3, l'élément conducteur acoustique 1 devient le siège de vibrations acoustiques de résonance. La formation des couches de structure identique et de polarisation opposée 8, 9 entraîne des phénomènes de contact à l'interface céramique piézo-électrique - métal, menant à la courbure des bandes énergétiques du matériau céramique piézo-électrique, là o se forment des champs électriques de polarisation internes d'écran à une concentration des défauts électroniques en surface, par exemple, inférieure à 1021 1/m3. La présence des deux couches polarisées en opposition 8, 9 fait que,même de faibles perturbations,font basculer l'orientation des domaines de l'élément conducteur acoustique 1 pour les- quels cet état basculé sera le plus avantageux énergéti- quement parlant. Un tel basculement de l'orientation des domaines mène à une variation à seuil de la direction des vibrations acoustiques de l'élément conducteur acous- tique 1, et partant, à une commutation à seuil de la fréquence de résonance, donc, à l'augmentation de la sensibilité du résonateur à céramique piézo-électrique à fréquence commandée. Lorsque l'action perturbante est supprimée, les phénomènes de contact à l'interface céra- mique piézo-électrique - métal imposent la remise à l'état initial des domaines du résonateur à céramique piézo- électrique, c'est-à-dire que les vecteurs de polarisation , il des couches 8, 9 reprennent leur orientation perpendiculaire aux faces à électrodes de signal de l'élément conducteur acoustique 1. La fréquence de résonance propre du résonateur à céramique piézo-électrique à fréquence de résonance com- mandée est soumise à des variations, à l'aide des électro- des de commande 4, 5, de sorte que, lorsqu'on applique à celles-ci une tension électrique de la source 6, il se produit une variation de la direction des vibrations acoustiques dans le sens de la direction d'action de la tension de commande. La valeur de tension de seuil U à laquelle se produit la commutation de la fréquence de résonance peut être calculée à l'aide de l'expression: U = L-E, o L est la distance entre les électrodes de commande 4, 5, Ec est le champ coercitif du matériau céramique piézo- électrique. Ainsi, pour un résonateur à céramique piézo- électrique commandé, dont l'élément conducteur acoustique 1 est, par exemple, en sulfoiodure d'antimoine (SbSI) et a une longueur L = 500 pm, U sera égale à 15V. Le basculement de l'orientation des vecteurs de polarisation 10, 11 des couches 8, 9 a, dans ce cas, un caractère de variation à seuil, ce qui est dû à l'effet d'écran produit par les frontières à conduction électro- nique ou par trous à l'interface des couches polarisées en opposition 8, 9 (V.V.Belyayev etc., Peculiarities of Generation and Propagation of Certain Types of Elastic Waves in Polycristalline Ferroelectrics - "Ferroelectrics Letters". 1984, volume 1, New York, pages 159-162). A une concentration des défauts électroniquesen surface dans la zone superficielle, surface comprise, 21 3 adjacente aux électrodes de signal, inférieure à iO21 1/m3, c'est-à-dire, à la concentration déterminée par les niveaux de Tamm(V.M.Fridkin, "Segnetoelektriki-poluprovodniki" ("Semi-conducteurs ferroélectriques"), 1976, M., éd. "NAUKA", pages 79 à 84), il y a suppression des vibrations acoustiques dans l'élément conducteur acoustique 1 entre les électrodes de signal 2, 3 résultant de la suppression totale de la polarisation superficielle, et l'excitation des vibrations acoustiques entre les électrodes de commande 4, 5. Pour l'exemple susdit d'exécution du résonateur à céramique piézoélectrique, on a détecté une variation de la fréquence de résonance propre du résonateur à céramique piézo-électrique commandé d'une valeur de 25,4 MHz (ce qui correspond aux vibrations acoustiques entre les électrodes 2 et 3) à une valeur de 4,7 MHz (ce qui correspond aux vibrations acoustiques entre les électrodes 4 et 5). De cette façon, le processus de commutation de la fréquence de résonance est, dans ce cas, un processus de commutation à seuil, ce qui est possible grâce au fait que, dans le résonateur à céramique piézo- électrique à fréquence commandée proposé, grâce aux phénomènes de contact, la formation des domaines d'orientation opposée est assurée, ce qui permet d'obtenir le basculement de l'orientation des domaines dans tout le volume de l'élément conducteur acoustique. - Pour la formation des couches polarisées en oppo- sition 8, 9, les propriétés physiques du matériau consti- tuant les électrodes de signal 2, 3 doivent satisfaire aux conditions: o AA est la différence entre le travail de sortie d'électrons du matériau céramique piézo-électrique et du travail de sortie d'électrons du matériau constituant les électrodes de signal 2, 3, q est la charge d'électrons, est la différence de potentiel de contact à l'interface des couches polarisées en opposition 8, 9, t est le facteur de traitement superficiel du matériau constituant l'élément conducteur acoustique 1. Le facteur r est trouvé expérimentalement. Ce facteur dépend du traitement superficiel de l'élément conducteur acoustique 1. Le choix du facteur r pour un matériau céramique piézo-électrique tel que, par exemple, le zirconate-titanate de plomb' ou le sulfoiodure d'antimoine, se fait à l'aide du tableau ci-dessous. TABLEAU Cas Concentration de défauts No électroniques en surface 1/m3 PZT SbSI 1 1022 0,8 0,75 2 10O23 0,8 0,8 3 1024 09 0,85 4 1025 1,2 1,00 1026 1,5 1,15 6 1027 1,9 1,20 L'expression Y IAA | A q est connue 3Q (V.M.Fridkin, "Segneto-elektriki poluprovdniki", ("Semi-conducteurs ferroélectriques", 1976, M., éd. "NAUKA", pages 79 à 84), et la définition expérimentale du facteur t pour les types indiqués de matériaux céramiques piézo-électriques permet d'appliquer cette expression en pratique. En réalité, pour les types susdits de matériaux céramiques piézo-électriques, le travail de sortie d'électrons pour une électrode métallique doit dépasser la valeur de 5x reV. Le métal satisfaisant à cette condition est en particulier le platine. Pour s'affranchir de l'influence des caractéris- tiques du matériau constituant les électrodes de commande 4, 5 sur la valeur et sur la direction de la polarisation dans l'élément conducteur acoustique 1, les zones près de la surface 13, 14 de l'élément conducteur acoustique 1, adjacentes auxdites électrodes 4, 5, sont réalisées comme des régions à défauts de structure avec une concentration d'ions supérieure à la densité de charge d'écran de la polarisation des couches de l'élément conducteur acous- tique 1. Ces régions sont formées par dopage par implan- tation d'ions jusqu'à une concentration de défauts de structure, en règle générale, supérieure à 1023 1/m3 La concentration de défauts de structure dépend du matériau utilisé pour le dopage ionique des régions à défauts de structure à obtenir. Le dopage à l'aluminium des régions à défauts de structure à obtenir permet d'exclure l'influence des caractéristiques du matériau constituant les électrodes de commande 4, 5 sur la direction et sur la valeur de la polarisation dans l'élément conducteur acoustique 1, or la sensibilité du résonateur ainsi obtenu sera assez médiocre à cause d'une barrière de potentiel importante entre la bande de conduction et les niveaux électroniques supplémentaires dans la bande interdite du matériau céramique piézo-électrique, dus au dopage des régions 13, 14 aux ions d'aluminium. L'utilisation du platine pour le dopage des régions à défauts de structure à obtenir est préférable au point de vue de l'augmentation de la sensibilité du résonateur à céramique piézo-électrique commandé, étant donné que la barrière de potentiel entre la bande de conduction et les niveaux électroniques supplémentaires dans la bande interdite du matériau céramique piézo-électrique, déter- minés par le dopage desdites régions aux ions de platine, est moindre que dans le cas précédent. Le dopage aux ions d'or des régions à défauts de structure à obtenir est le plus avantageux du point de vue de l'amélioration de la sensibilité du résonateur à céramique piézo-électrique à fréquence commandée, car la barrière de potentiel entre la bande de conduction et les niveaux électroniques supplémentaires dans la bande interdite du matériau céramique piézo-électrique, déterminés par le dopage des régions 13, 14 aux ions d'or, est minimale. Dans ce cas, il faut prendre en considération que chaque ion d'or forme dans la bande interdite du matériau céramique piézo-électrique trois niveaux permis supplémentaires. Comme exemple de réalisation, on peut présenter un résonateur à céramique piézo-électrique à fréquence commandée en SbSI. En tant que matériau constituant les électrodes de commande -4, 5, on y a utilisé le platine. Dans le résonateur considéré, le taux de variation de la fréquence de résonance était de 20 à 25%, la tension de seuil étant de 4,5 V. Le temps de rétablissement de la fréquence de résonance initiale après que l'action de commande avait été supprimée ne dépassait pas 12 ps. Ces données sont valables pour le cas de dopage des régions adjacentes à la surface aux ions d'or. Le résonateur à céramique piézo-électrique à fréquence commandée mis au point selon l'invention assure une amélioration de la sensibilité grâce à l'augmentation de la raideur de la courbe de commande ce qui, à son tour, est assuré par la possibilité de commutation à seuil de la fréquence de résonance. 1i R E V E N D I C A T I 0 N S 1.- Résonateur à céramique piézo-électrique à fréquence commandée du type comportant un élément conduc- teur acoustique en matériau céramique piézo-électrique, ayant la forme d'un parallélépipède portant sur deux faces-opposées, perpendiculaires à la direction de la polarisation de l'élément conducteur acoustique, des électrodes de signal, et sur les faces orthogonales à ces premières, des électrodes de commande, une source réglable de tension électrique continue, dont les sorties sont raccordées aux électrodes de commande, et une source de tension de signal, dont les sorties sont raccordées aux électrodes de signal, caractérisé en ce que l'élément conducteur acoustique (1) comporte deux couches de structure identique, polarisées en opposition l'une par rapport à l'autre (8, 9), disposées symétriquement par rapport à un plan (12) de l'élément conducteur acoustique (1), ce plan étant parallèle aux faces portant les électrodes de signal (2, 3), les propriétés physiques du matériau constituant les électrodes de signal (2, 3) satisfaisant à l'inégalité: >|AA | A q o o est le facteur de traitement superficiel du matériau de l'élément conducteur acoustique (1), AA est la différence entre le travail de sortie d'électrons du matériau céramique piézo- électrique et le travail de sortie d'électrons du matériau constituant les électrodes de signal (2, 3), q est la charge d'électrons, est la différence de potentiel de contact à l'interface des couches de structure identique polarisées en opposition (8, 9), et en ce que chaque zone superficielle (la surface comprise) (13, 14) de l'élément conducteur acoustique (1), adjacente à la face correspondante portant l'une des électrodes de commande (4, 5), est réalisée comme une région à défauts de structure. 2.- Résonateur à céramique piézo-électrique à fréquence de résonance commandée selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque région à défauts de structure est dopée aux ions d'aluminium avec une concentration supérieure à la densité de charge d'écran de la polarisa- tion des couches (8, 9) de l'élément conducteur acoustique (1) en céramique piézo-électrique. 3.- Résonateur à céramique piézo-électrique à fréquence de résonance commandée, selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque région à défauts de structure est dopée aux ions de platine avec une concentration supérieure à la densité de charge d'écran de la polarisation des couches (8, 9) de l'élément conducteur acoustique (1) en matériau céramique piézo-électrique. 4.- Résonateur à céramique piézo-électrique à fréquence de résonance commandée selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque région à défauts de structure est dopée aux ions d'or, avec une concentration supérieure à la densité de charge d'écran de la polarisation des couches (8, 9) de l'élément conducteur acoustique (1) en matériau céramique piézo-électrique. 5.- Résonateur à céramique piézo-électrique à fréquence de résonance commandée selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque région à défauts de structure possède une concentration de défauts de structure supérieure à 1023 1/m3.