Brevet FR3135175A1 — publié le 20231103

L'invention porte sur un dispositif (100) à ondes élastiques de surface comprenant une couche piézoélectrique (120), des électrodes (150A, 150B) encastrées dans la couche piézoélectrique, et un substrat (130) supportant la couche piézoélectrique et les électrodes, le substrat vérifiant les deux conditions suivantes : une atténuation d’un mode élastique d’électrode dans la couche piézoélectrique est inférieure à 0,1 dB/λ ; et un rapport de célérités entre un mode élastique volumique de cisaillement du substrat sur un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique est plus petit qu’une valeur prédéterminée de rapport de célérité, le substrat étant choisi parmi l’arséniure de gallium et un verre ayant un module d’Young compris entre 60 GPa et 180 GPa, un coefficient de poisson compris entre 0,15 et 0,35, et une masse volumique comprise entre 2000 kg/m 3 et 6000 kg/m 3 . Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 2 DISPOSITIF A ONDES ÉLASTIQUES DE SURFACE A ELECTRODES ENCASTRÉES DANS UNE COUCHE PIEZOELECTRIQUE, CONCEPTION ET FABRICATION DE CELUI-CI Le domaine de l’invention est celui des dispositifs à ondes élastiques de surface (dispositifs SAW pour Surface Acoustic Wave en terminologie anglaise) à structures composites intégrant des électrodes encastrées dans une couche mince de matériau piézoélectrique. Les dispositifs à ondes élastiques de surface, ou dispositifs SAW, sont employés dans de nombreuses applications, et en particulier dans les applications électroniques où ils forment l’élément central de filtres, d’oscillateurs, de lignes à retard ou encore de transformateurs. Les matériaux piézoélectriques génèrent une tension électrique lorsqu'ils sont déformés sous l’action d’une contrainte mécanique, et, réciproquement, se déforment lorsqu'une tension électrique leur est appliquée. Par conséquent, lorsqu'un signal électrique alternatif est appliqué à une ou plusieurs électrodes en contact avec une couche piézoélectrique, un signal mécanique (c'est-à-dire une oscillation ou une vibration) est généré au niveau de ce matériau piézoélectrique : le signal électrique est transformé en un signal mécanique. Le signal mécanique se propageant dans le matériau piézoélectrique présente une dépendance en fréquence par rapport au signal électrique alternatif, dépendance qui est fonction des caractéristiques de la ou des électrodes, des propriétés du matériau piézoélectrique et d'autres facteurs tels que la forme du dispositif à ondes élastiques et d'autres structures constituant le dispositif. Les dispositifs à ondes élastiques exploitent cette dépendance en fréquence pour fournir une ou plusieurs fonctions au moyen de résonateurs à ondes élastiques de surface (SAW en terminologie anglaise, pour Surface Acoustic Wave) ou transducteurs SAW, qui sont de plus en plus utilisés pour former, par exemple, des filtres dits « filtres SAW » mis en œuvre dans la transmission et la réception de signaux RF pour des applications dans les télécommunications. Un filtre SAW comprend au minimum un transducteur à ondes élastiques de surface, potentiellement entouré de miroirs réfléchissants constitués d’électrodes agencées périodiquement et satisfaisant la condition dite de Bragg, formant un résonateur par réflexion des ondes émises par le transducteur en phase vers ce dernier. Le filtre peut être avantageusement composé d’une combinaison de tels résonateurs, il peut également présenter au moins un transducteur dit d’entrée et au moins un transducteur dit de sortie. Il peut exploiter des couplages électriques ou élastiques entre résonateurs ou transducteurs. Sa réponse temporelle peut-être finie (cas des filtres transverses classiques) ou infinie (cas des filtres à résonateurs). Dans tous les cas, la personne du métier désigne indistinctement ces structures comme des filtres SAW. La géométrie et les dimensions des transducteurs, les types et les formes des matériaux utilisés conditionnent les caractéristiques du filtre SAW telles que les facteurs de couplage et de réflexion, le facteur de qualité Q, la bande passante, les réponses parasites, la suppression de résonances d’ordres plus élevés que la résonance employée, ou encore la dépendance en température du mode exploité. Le document de brevet WO 2021/053401 divulgue un transducteur SAW comprenant des électrodes formant des peignes interdigités et ayant la particularité d’être encastrées dans la couche piézoélectrique, comme illustré par la . L’impédance acoustique de ces électrodes est inférieure à celle de la couche piézoélectrique, de manière à contenir la propagation d’un mode de cisaillement essentiellement dans le volume des électrodes par réflexion contre les parois des électrodes à une fréquence plus élevée que celle du mode de cisaillement fondamental de la couche piézoélectrique, ce mode étant désigné par « mode d’électrode », ou « electrode mode » en terminologie anglaise. La configuration en peignes interdigités des électrodes et l’excitation au moyen de polarités opposées de deux doigts adjacents des peignes permet cependant au mode d’électrode de générer, dans la couche piézoélectrique, des ondes de cisaillement propagatives cohérentes menant à un phénomène de résonance pour une longueur d’ondes élastiques opérationnelle λ. La longueur d’ondes élastiques opérationnelle λ du transducteur est liée à la fréquence de résonance f r de ce transducteur par la relation f r = v / λ , v représentant la vitesse de propagation dans la couche piézoélectrique. Un transducteur SAW du document de brevet WO 2021/053401 permet d’employer des fréquences plus élevées que celles employées dans les transducteurs SAW conventionnels, d’ordinaire basés sur des électrodes en couches minces situées en surface de la couche piézoélectrique et pour lesquelles les ondes élastiques ont des fréquences découlant des modes propres de cette dernière. En effet, la fréquence de résonance f r du mode d’électrode est définie par la résonance des ondes élastiques dans les volumes des électrodes, qui se produit à une fréquence plus élevée que celles des modes propres de la couche piézoélectrique des dispositifs conventionnels. Cependant, d’autres caractéristiques que la fréquence de résonance f r sont importantes en vue d’applications pratiques, en particulier la pureté de la réponse en fréquence, et l’homme du métier est en recherche d’optimisation et/ou d’alternatives quant au choix des matériaux aptes à former le substrat d’un transducteur SAW pour employer un mode d’électrode. Un premier but de l’invention est de fournir des dispositifs à ondes élastiques de surfaces capables d’employer un mode d’électrode et de présenter des performances acceptables en vue d’applications pratiques. Un deuxième but de l’invention est de fournir un procédé de choix d’un substrat adapté à un dispositif SAW comportant des électrodes encastrées dans une couche piézoélectrique et destiné à fonctionner par excitation d’un mode élastique propre à ces électrodes. Un troisième but de l’invention est de fournir un procédé de fabrication intégrant le choix d’un substrat adapté dans la fabrication d’un dispositif SAW. A ces effets, l’invention concerne un dispositif à ondes élastiques de surface comprenant une couche piézoélectrique, des électrodes encastrées dans la couche piézoélectrique et un substrat supportant la couche piézoélectrique et les électrodes, le substrat vérifiant les deux conditions suivantes : une atténuation d’un mode élastique d’électrode dans la couche piézoélectrique est inférieure à 0,1 dB/λ ; et un rapport de célérités entre une célérité d’un mode élastique volumique de cisaillement du substrat et une célérité d’un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique est plus petit qu’une valeur prédéterminée de rapport de célérités, le substrat étant choisi parmi l’arséniure de gallium et un verre ayant un module d’Young compris entre 60 GPa et 180 GPa, un coefficient de poisson compris entre 0,15 et 0,35, et une masse volumique comprise entre 2000 kg/m 3 et 6000 kg/m 3 . Un tel dispositif SAW à électrodes encastrées et destiné à fonctionner par excitation d’un mode élastique propre de ces électrodes pourra fonctionner de manière satisfaisante s’il emploie un substrat respectant les deux conditions sur l’atténuation et le rapport de célérités définies ci-dessus, c’est-à-dire que le mode d’électrode qui se propage est prépondérant par rapport au mode de cisaillement fondamental de la couche piézoélectrique. Le respect de la condition sur l’atténuation, ou pertes par propagation, assure que le substrat est capable d’accéder au mode élastique d’électrode, c’est-à-dire que le mode élastique d’électrode pourra effectivement être excité et se propager convenablement dans la couche piézoélectrique, et être utilisé dans des dispositifs SAW tels que décrits ci-dessus, comprenant une électrode encastrée dans la couche piézoélectrique. Un avantage de ce mode élastique d’électrode est qu’il permet d’accéder à des fréquences de travail relativement hautes (par exemple supérieures à 3 GHz), et ceci pour des dispositifs ne requérant pas des méthodes de fabrication se situant aux limites de ce qui est actuellement techniquement réalisable, et dont la fiabilité et la robustesse sont assurées. Selon d'autres caractéristiques non limitatives de l'invention, prises seules, ou selon toute combinaison techniquement réalisable : - le substrat est formé de verre ayant un module d’Young compris entre 60 GPa et 80 GPa, un coefficient de poisson compris entre 0,15 et 0,25, et une masse volumique comprise entre 2100 kg/m 3 et 2400 kg/m 3 ; - le substrat est formé d’arséniure de gallium. L’invention s’étend à un procédé de détermination de l’adaptation d’un substrat à un dispositif à ondes élastiques de surface comprenant une couche piézoélectrique, des électrodes encastrées dans la couche piézoélectrique et ledit substrat, le procédé étant mis en œuvre au moyen d’un système informatique et comprenant l’étape d’émettre un signal représentatif d’une adaptation du substrat au dispositif à ondes élastiques de surface, lorsque : une atténuation d’un mode élastique d’électrode dans la couche piézoélectrique est inférieure à 0,1 dB/λ ; et un rapport de célérités entre une célérité d’un mode élastique volumique de cisaillement du substrat et une célérité d’un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique est plus petit qu’une valeur prédéterminée de rapport de célérité. Selon d'autres caractéristiques non limitatives de l'invention, prises seules, ou selon toute combinaison techniquement réalisable : le système informatique comprend une unité informatique de calcul et une mémoire informatique fonctionnellement en communication avec l’unité de calcul informatique et stockant une base de données stockant des paramètres de géométrie et de nature des électrodes, de la couche piézoélectrique, et du substrat, l’unité de calcul informatique mettant en œuvre les étapes suivantes : récupérer dans la base de données de la mémoire informatique des données incluant des paramètres de géométrie et de nature des électrodes, de la couche piézoélectrique, et du substrat ; calculer une atténuation d’un mode élastique d’électrode dans la couche piézoélectrique, à partir des données récupérées ; comparer l’atténuation du mode élastique d’électrode dans la couche piézoélectrique à une valeur prédéfinie d’atténuation de 0,1 dB/λ ; calculer un rapport de célérités entre un mode élastique volumique de cisaillement du substrat sur un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique, à partir des données récupérées ; comparer le rapport de célérités à une valeur prédéterminée de rapport de célérités ; émettre le signal représentatif d’une adaptation du substrat au dispositif à onde élastique de surface, lorsque : l’atténuation du mode élastique d’électrode dans la couche piézoélectrique est plus petite que la valeur prédéfinie d’atténuation ; et le rapport de célérités est plus petit que la valeur prédéterminée de rapport de célérité. Selon d'autres caractéristiques non limitatives de l'invention, s’appliquant au dispositif ainsi qu’au procédé, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable : la valeur prédéterminée de rapport de célérités est égale à 1 ; la valeur prédéterminée de rapport de célérités est égale à 0,9 ; l’atténuation est définie par la formule où, pour une excitation des électrodes générant un mode propagatif d’une onde élastique de cisaillement, Δ est le coefficient de réflexion acoustique par électrode, la fonction log représente le logarithme décimal tel que log(e)~0,434 et et sont des fréquences associées à une résonance de l’onde élastique de cisaillement auxquelles une susceptance électrique du dispositif à ondes élastiques atteint respectivement un maximum et un minimum. L’invention s’étend également à un procédé de fabrication du dispositif SAW à électrodes encastrées dans la couche piézoélectrique, procédé comprenant ledit procédé de détermination. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence aux figures annexées, sur lesquelles : La illustre schématiquement en vue plane un transducteur SAW avec des électrodes encastrées dans une couche piézoélectrique ; La illustre schématiquement le transducteur SAW de la selon une vue en coupe de ce transducteur selon le plan passant par le segment indiqué par Y-Y’ sur la vue plane et perpendiculaire à celle-ci ; La illustre une géométrie possible des électrodes du transducteur SAW de la , utilisée pour la modélisation informatique de ce transducteur ; La montre un graphe de simulation de l’admittance électrique d’un résonateur SAW centré sur la résonance d’un mode d’électrode ; La montre un graphe de simulation de l’admittance électrique d’un transducteur SAW montrant les effets d’un mode élastique volumique de cisaillement du substrat et d’un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique ; La illustre un filtre SAW en échelle ; La montre une fonction de transfert théorique d’un premier exemple de filtre en échelle ; La montre une fonction de transfert théorique d’un deuxième exemple de filtre en échelle ; La montre un diagramme d’évaluation d’un substrat pour un dispositif SAW ; La illustre un dispositif de mise en œuvre d’un procédé correspondant au diagramme de la ; et La illustre un procédé de fabrication d’un dispositif SAW. Dispositif (100) à ondes élastiques de surface comprenant une couche piézoélectrique (120), des électrodes (150A, 150B) encastrée dans la couche piézoélectrique, et un substrat (130) supportant la couche piézoélectrique et les électrodes, le dispositif étant caractérisé en ce que le substrat vérifie les deux conditions suivantes : une atténuation d’un mode élastique d’électrode dans la couche piézoélectrique est inférieure à 0,1 dB/λ ; et un rapport de célérités entre un mode élastique volumique de cisaillement du substrat sur un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique est plus petit qu’une valeur prédéterminée de rapport de célérité, le substrat étant choisi parmi l’arséniure de gallium et un verre ayant un module d’Young compris entre 60 GPa et 180 GPa, un coefficient de poisson compris entre 0,15 et 0,35, et une masse volumique comprise entre 2000 kg/m 3 et 6000 kg/m 3 . Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le substrat est formé de verre ayant un module d’Young compris entre 60 GPa et 80 GPa, un coefficient de poisson compris entre 0,15 et 0,25, et une masse volumique comprise entre 2100 kg/m 3 et 2400 kg/m 3 . Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le substrat est formé de d’arséniure de gallium. Dispositif selon l’une quelconques des revendications 1 à 3, dans lequel la valeur prédéterminée de rapport de célérités est égale à 1. D ispositif selon l’une quelconques des revendications 1 à 4, dans lequel la valeur prédéterminée de rapport de célérités est égale à 0,9. D ispositif selon l’une quelconques des revendications 1 à 3, dans lequel l’atténuation est définie par la formule où, pour une excitation des électrodes générant un mode propagatif d’une onde élastique de cisaillement, Δ est le coefficient de réflexion acoustique par les électrodes, la fonction log représente le logarithme décimal tel que log(e)~0,434, et f h et f b sont des fréquences associées à une résonance de l’onde élastique de cisaillement auxquelles une susceptance du dispositif à ondes élastiques atteint respectivement un maximum et un minimum. Procédé (900) de détermination de l’adaptation d’un substrat à un dispositif à ondes élastiques de surface comprenant une couche piézoélectrique, des électrodes encastrées dans la couche piézoélectrique et ledit substrat, le procédé étant mis en œuvre au moyen d’un système informatique et caractérisé en ce qu’ il comprend l’étape d’émettre (840) un signal représentatif d’une adaptation du substrat au dispositif à onde élastique de surface, lorsque : une atténuation d’un mode élastique d’électrode dans la couche piézoélectrique est inférieure à 0,1 dB/λ ; et un rapport entre une célérité d’un mode élastique volumique de cisaillement du substrat et une célérité d’un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique est plus petit que la valeur prédéterminée de rapport de célérité. Procédé (900) de détermination de l’adaptation d’un substrat à un dispositif à ondes élastiques de surface selon la revendication 4, caractérisé en ce que le système informatique (900) comprend une unité informatique de calcul (910) et une mémoire informatique (920) fonctionnellement en communication avec l’unité de calcul informatique et stockant une base de données stockant des paramètres de géométrie et de nature des électrodes, de la couche piézoélectrique, et du substrat, l’unité de calcul informatique mettant en œuvre les étapes suivantes : récupérer (810) dans la base de données de la mémoire informatique (920) des données incluant des paramètres de géométrie et de nature de l’électrode, de la couche piézoélectrique, et du substrat ; calculer (820) une atténuation d’un mode élastique d’électrode dans la couche piézoélectrique, à partir des données récupérées ; comparer (825) l’atténuation du mode élastique d’électrode dans la couche piézoélectrique à une valeur prédéfinie d’atténuation de 0,1 dB/λ ; calculer (830) un rapport de célérités entre un mode élastique volumique de cisaillement du substrat sur un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique, à partir des données récupérées ; comparer (835) le rapport de célérités à une valeur prédéterminée de rapport de célérités ; émettre (840) le signal représentatif d’une adaptation du substrat au dispositif à onde élastique de surface, lorsque : l’atténuation du mode élastique d’électrode dans le substrat est plus petite que la valeur prédéfinie d’atténuation ; et le rapport de célérités est plus petit que la valeur prédéterminée de rapport de célérité. Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 8, dans lequel la valeur prédéterminée de rapport de célérités est égale à 1. Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel la valeur prédéterminée de rapport de célérités est égale à 0,9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 10, dans lequel l’atténuation est définie par la formule où, pour une excitation des électrodes générant un mode propagatif d’une onde élastique de cisaillement, Δ est le coefficient de réflexion acoustique par les électrodes, la fonction log représente le logarithme décimal tel que log(e)~0,434, et f h et f b sont des fréquences associées à une résonance de l’onde élastique de cisaillement auxquelles une susceptance du dispositif à ondes élastiques atteint respectivement un maximum et un minimum. Procédé (1100) de fabrication d’un dispositif à ondes élastiques de surface comprenant une couche piézoélectrique, des électrodes encastrées dans la couche piézoélectrique et un substrat, caractérisé en ce qu’il comprend le procédé (900) de détermination de l’adaptation d’un matériau de substrat selon l’une quelconque des revendications 7 à 11.