Brevet FR2911448A1 — publié le 20080718

Résonateur acoustique en volume à fréquence de résonance réglable et utilisation d'un tel résonateur dans le domaine de la téléphonie L'invention concerne les résonateurs acoustiques et, en particulier, les résonateurs acoustiques en volume. De tels résonateurs sont également couramment désignés par les anglo-saxons par le terme de résonateurs Bulk Acoustic Wave ou BAW. Ces résonateurs sont souvent utilisés pour la réalisation de filtres RF de circuits frontaux à haute fréquence ou Front-end , par exemple dans le domaine de la téléphonie mobile. Pour une telle application, il est souvent souhaitable que les résonateurs puissent être réalisés au sein de circuits intégrés à haute fréquence, qu'ils présentent une bonne sélectivité, une puissance relativement élevée et qu'ils puissent être réalisés à faible coût. Les résonateurs sont ainsi souvent basés sur l'utilisation de dispositifs à ondes de surface ou dispositifs SAW ( Surface Acoustic Wave , en anglais). De tels filtres sont avantageux dans la mesure où ils présentent une bonne sélectivité. Mais leur fréquence et leur puissance sont relativement limitées. C'est la raison pour laquelle il a été proposé de réaliser les résonateurs selon la technologie BAW dans la mesure où cette technologie permet d'atteindre les objectifs visés, en terme de fréquence, de puissance, de sélectivité et de coût de réalisation. En outre, les résonateurs fabriqués selon la technologie BAW peuvent être formés directement sur un circuit entièrement intégré, ce qui permet ainsi de réaliser des circuits frontaux à haute fréquence entièrement intégrés. Mais un circuit résonateur acoustique en volume BAW est basé sur l'utilisation d'un élément piézoélectrique pourvu de deux électrodes. La fréquence de résonance caractéristique du résonateur est directement liée à l'épaisseur de l'élément piézoélectrique et des électrodes qui le recouvrent. Aussi, par construction, le résonateur ne comporte qu'une seule fréquence de résonance. Par conséquent, il est nécessaire de réaliser un résonateur pour chaque fréquence de résonance. Ainsi, pour la réalisation d'un circuit frontal de poste téléphonique mobile, il est nécessaire de prévoir un résonateur spécifique pour chaque standard. Le but de l'invention est donc de pallier cet inconvénient et de fournir un résonateur acoustique en volume à fréquence de résonance réglable. Un autre but de l'invention est donc de fournir à faible coût un résonateur de type BAW capable de s'adapter sans modifications à des spécifications de différents standards d'équipements dans lesquels ils sont destinés à être montés. L'invention a donc pour objet, selon un premier aspect, un résonateur acoustique à fréquence de résonance réglable comprenant un élément piézoélectrique pourvu de deux électrodes. Selon une caractéristique générale de ce résonateur, celui-ci comporte un élément de commutation formant une électrode additionnelle venant sélectivement se superposer à l'une des électrodes pour faire varier l'épaisseur totale de ladite électrode et modifier en conséquence la fréquence de résonance du résonateur. Ainsi, l'élément de commutation peut, au choix, adopter une première position inactive dans laquelle il est espacé de l'électrode et de l'élément piézoélectrique pour faire fonctionner le résonateur à une première fréquence caractéristique ou une deuxième position active dans laquelle l'élément de commutation est appliqué contre l'élément piézoélectrique pour faire fonctionner le résonateur à une deuxième fréquence caractéristique. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément de commutation comporte une barrette déformable entre la première position inactive dans laquelle elle est espacée de l'électrode et la deuxième position active dans laquelle elle est appliquée contre l'électrode, la barrette comprenant des résistances de chauffage aptes à provoquer une déformation de la barrette. Un simple chauffage de la barrette permet ainsi de faire varier la configuration de l'élément de commutation pour qu'il adopte soit la première position inactive, soit la deuxième position active. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les première et deuxième positions sont des positions stables. Par exemple, la barrette comporte des électrodes internes bistables aptes à maintenir la barrette à l'état déformé en appui contre l'électrode dans l'une et l'autre des positions actives. Avantageusement, le résonateur fait partie d'un circuit intégré, le résonateur étant disposé sur une couche d'oxyde avec interposition d'un réflecteur acoustique, par exemple un miroir de Bragg, la barrette constituant un pont s'étendant au dessus de l'élément piézoélectrique. Par exemple, la barrette présente une longueur d'environ 400 microns et une largeur d'environ 50 microns. Selon un second aspect, l'invention a également pour objet l'utilisation d'un résonateur tel que défini ci-dessus pour la réalisation d'un circuit à haute fréquence, à fréquence de résonance variable dans le domaine de la téléphonie. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente la structure de base d'un résonateur acoustique en volume (BAW) conventionnel ; - la figure 2 illustre le principe général d'un résonateur BAW selon l'invention ; - la figure 3 est un exemple de réalisation d'un résonateur BAW selon l'invention ; - les figures 4 et 5 illustrent le fonctionnement du résonateur BAW de la figure 3 ; et - la figure 6 est une vue en perspective d'une plaquette de circuits intégrés pourvue d'un résonateur BAW selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté l'architecture générale d'un résonateur acoustique à ondes de surface conventionnel, et en particulier, un résonateur connu sous le nom de résonateur FBAR ( Film Bulk Acoustic Resonator , en anglais). Comme on le voit sur cette figure, le résonateur FBAR, désigné par la référence numérique générale 1, est basé sur l'utilisation d'un film mince piézoélectrique 2 pourvu de deux couches 3 de métal constituant des électrodes. Comme indiqué précédemment, la fréquence de résonance fondamentale du résonateur 1 est directement liée à l'épaisseur globale de l'élément piézoélectrique, y compris les électrodes 3. En particulier, lorsque l'épaisseur de l'élément piézoélectrique augmente, la fréquence fondamentale du résonateur est décalée vers les basses fréquences. Mais, comme indiqué précédemment, la fréquence fondamentale du résonateur est fixée par construction de sorte que ce résonateur présente une fréquence fondamentale fixe. On a représenté sur la figure 2 un résonateur BAW 4, conforme à l'invention, dont la fréquence fondamentale est variable. Ce résonateur est basé sur l'utilisation d'un élément de commutation capable de faire varier l'épaisseur globale du résonateur afin qu'il puisse sélectivement adopter deux fréquences de résonance caractéristiques. L'élément de commutation est de préférence réalisé selon une technologie micro-électromécanique ou MEMS de sorte que l'ensemble du résonateur peut être disposé au sein d'un circuit entièrement intégré. Le résonateur trouve ainsi une application particulièrement intéressante dans le domaine des télécommunications et, en particulier de la téléphonie mobile, dans l'objectif de réaliser des circuits frontaux à haute fréquence capables de fonctionner selon les spécifications de différentes normes. Ainsi, un tel résonateur à fréquence de résonance caractéristique multiple peut être utilisé pour la réalisation de circuits frontaux de téléphones mobiles cellulaires capables de fonctionner, par exemple, soit selon la norme 802.11, c'est-à-dire dans la gamme de fréquences allant de 2,4 à 2,48 GHz, soit selon la norme WCDMA, c'est-à-dire à des fréquences allant de 2,11 à 2,17 GHz. Dans une telle application, ce résonateur peut par exemple être utilisé pour la réalisation de filtres de bandes passifs de tels circuits frontaux. Le résonateur peut être associé, dans cette application, à un circuit de détection qui détecte le standard utilisé, par exemple à partir du niveau de puissance d'entrée, et qui commute l'élément de commutation en fonction du standard détecté à partir du niveau de puissance d'entrée, par exemple par comparaison avec une valeur de seuil. Comme le montre la figure 2, le résonateur 4 est également basé sur l'utilisation d'un élément piézoélectrique 5 doté de deux électrodes 6 en matériau métallique. L'ensemble est par exemple placé sur un substrat 7, par exemple en silicium ou en silicium-germanium avec interposition d'une couche de support 8 par exemple réalisée en nitrure de silicium. En ce qui concerne l'élément de commutation, celui-ci est en principe réalisé sous la forme d'une poutre ou d'un barreau 9 métallique, par exemple en aluminium, réalisé, comme indiqué précédemment, à partir d'une technologie MEMS. Cette barrette 9 est portée par la couche de support 8 et s'étend au dessus de l'électrode supérieure 6. Dans l'exemple de réalisation représenté, l'extrémité du barreau est libre d'osciller. La barrette 9 peut ainsi être activée de manière à venir s'appliquer contre l'électrode 6 afin d'augmenter l'épaisseur globale du résonateur piézoélectrique et modifier en conséquence la fréquence de résonance caractéristique du résonateur. Par exemple, la couche piézoélectrique 5 est réalisée en nitrure d'aluminium, tandis que les électrodes sont réalisées en aluminium. Dans le but d'éviter les pertes acoustiques dans le substrat et de maintenir un facteur de qualité élevé pour le résonateur, on interpose entre le substrat et la résonateur un réflecteur acoustique, par exemple un miroir de Bragg (non représenté), implanté dans le substrat sous le résonateur. On a représenté sur les figures 3 à 6 un mode de réalisation particulier d'un résonateur BAW conforme à l'invention réalisé sous forme entièrement intégrée. Le résonateur illustré, désigné par la référence générale 10, est par exemple formé au dessus d'un niveau de métallisation d'un circuit intégré, sur une couche d'oxyde 11, avec interposition d'un miroir de Bragg. Dans l'exemple de réalisation représenté, l'élément de commutation 12 repose, par ses deux zones d'extrémités mutuellement opposées 13 et 14, sur une couche de support 15. I1 constitue également un système MEMS. La réalisation d'un tel pont sous la forme d'un système micro-électromécanique est à la portée d'un homme du métier. Elle ne sera donc pas décrite en détail par la suite. On notera cependant que la barrette 12 est pourvue intérieurement de résistances de chauffage, telle que 16, associées chacune à un bloc métallique 17 assurant conjointement un chauffage de la barrette. Elle est en outre pourvue d'un plot de contact 18 destiné à coopérer avec l'élément piézoélectrique 19 du résonateur pourvu de ses électrodes. Par chauffage, la barrette 12 est susceptible d'adopter deux configurations, à savoir une première configuration inactive, visible sur la figure 3, dans laquelle l'élément de contact 18 est espacé de l'élément piézoélectrique 10 et une deuxième position, visible sur les figures 4 et 5, dans lesquelles l'élément de contact 18 est en appui sur l'électrode supérieure 6 du résonateur, pour faire varier sa fréquence de résonance fondamentale. On notera que les résistances 16 sont des éléments bistables, c'est-à-dire qu'ils sont capables de se déformer, par chauffage pour adopter deux formes stables respectives correspondant à l'une et l'autre des configurations de la barrette 12. Comme on le conçoit, grâce à l'invention, il est possible de réaliser, comme visible sur la figure 6, un résonateur BAW, à deux fréquences de résonance, capable d'être réalisé sous une forme entièrement intégrée. REVENDICATIONS 1. Résonateur acoustique en volume à fréquence de résonance réglable, comprenant un élément piézoélectrique (5) pourvue de deux électrodes (6), caractérisé en ce qu'il comporte un élément de commutation (9, 12) formant électrode additionnelle venant sélectivement se superposer à l'une des électrodes (6) pour faire varier l'épaisseur totale de ladite électrode et modifier en conséquence la fréquence de résonance du résonateur. 2. Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de commutation (9, 12) comporte au moins une barrette déformable entre une première position inactive dans laquelle elle a été espacée de l'électrode (6) et une deuxième position active dans laquelle elle est appliquée contre l'électrode (6), la barrette (9, 12) comprenant des résistances de chauffage (16) aptes à provoquer une déformation de la barrette. 3. Résonateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les première et deuxième positions sont des positions stables. 4. Résonateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la barrette comporte des électrodes internes bistables aptes à maintenir la barrette à l'état déformé en appui contre l'électrode. 5. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le résonateur fait partie d'un circuit intégré, le résonateur étant disposé sur une couche d'oxyde avec interposition d'un réflecteur acoustique, ladite barrette constituant un pont s'étendant au dessus de l'électrode supérieure du résonateur piézoélectrique. 6. Résonateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le réflecteur acoustique est un miroir de Bragg. 7. Résonateur selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la longueur de la barrette est d'environ 400 microns et sa largeur est d'environ 50 microns. 8. Utilisation d'un résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, pour la réalisation d'un circuit à haute fréquence, à fréquence de résonance variable dans le domaine de la téléphonie.