Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
La notion de filtrage est née de la volonté de transmettre plusieurs communications sur une même ligne. A la réception, le filtrage du signal permet de ne sélectionner que la bande utile. Les techniques ont largement évolué avec l'utilisation de composants acoustoélectriques, dont la destination est d'être insérés dans un circuit électronique afin de réaliser une fonction de filtrage en fréquence. La modélisation des ondes élastiques guidées et des méthodes numériques permet la conception et l'analyse de filtres de manière extrêmement précise. La combinaison de méthodes de simulation élaborées et de la connaissance précise des matériaux conduit à des accords simulation-mesure extraordinaires. Cet article présente donc les équations de base en acoustique, les phénomènes de propagation d'ondes ainsi que la modélisation des dispositifs à ondes de surface.
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The notion of filtering stems from the desire to transmit several communications on the same line. On reception, the filtering of the signal only allows for the selection of the useful band. The techniques have largely evolved due to the use of acoustoelectric components, which are inserted within the electronic circuit in order to carry out a filtering in frequency function. The modeling of guided elastic waves and numerical methods alows for an extremely precise design and analysis of filters. The combination of elaborated simulation methods with the precise knowledge of materials allows for extraordinary simulation/measurement agreements. This article thus presents basic equations in acoustics, wave propagation phenomena as well as the modelling of surface wave devices.
Auteur(s)
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Sylvain BALLANDRAS : Directeur de recherche CNRS - Docteur en Sciences pour l'Ingénieur, HDR
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William STEICHEN : Responsable Recherche et développement filtres SAW, TEMEX - Ingénieur physicien
INTRODUCTION
La modélisation des composants à ondes élastiques a fait l'objet de nombreux travaux depuis la mise au point des premiers dispositifs à ondes de volume jusqu'aux structures les plus complexes développées actuellement et combinant par exemple miroirs de Bragg et autres guides multicouches.
Une des caractéristiques singulières de la modélisation des dispositifs à ondes élastiques guidées réside dans l'extraordinaire accord simulation-mesure qu'il est possible d'obtenir. Cela est particulièrement vrai pour les dispositifs à ondes de surface. Quelques chiffres permettent d'illustrer ce propos :
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la précision de calcul des fréquences de résonance : quelques ppm ;
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la précision de prévision des pertes d'insertion : 0,1 dB ;
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la précision de prévision des niveaux rejetés d'un filtre (1 dB pour des niveaux de 40 dB).
On pourrait ajouter bien d'autres points d'accord simulation-mesure, comme la prévision de la position en fréquence et du niveau des modes parasites, pour les modes de volume comme de surface, ainsi que la sensibilité de la fréquence aux variations thermiques quasi-statiques.
Rares sont les domaines de la physique où l'accord simulation-mesure atteint ce niveau.
Deux raisons essentielles rendent cet accord possible :
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la première tient au fait que les substrats utilisés dans l'industrie des filtres passifs piézoélectriques (quartz, niobate de lithium, tantalate de lithium) sont des monocristaux et que, de ce fait, ils présentent une stabilité remarquable de leurs propriétés physiques. Les couches métalliques (aluminium le plus souvent, mais aussi molybdène, platine, or, tungstène ou chrome) qui forment les électrodes (surfaces pleines en regard, peignes interdigités) sont également caractérisées de façon précise, bien que sujettes à plus de variabilité que les substrats eux-mêmes du fait de leur mode d'élaboration (dépôts par voies chimiques ou physiques) ;
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la seconde réside dans la définition presque parfaite de la géométrie des dispositifs puisque réalisés grâce aux technologies de la microélectronique. Des procédés de lithographie (par ombres portées) sur des plaques de grandes dimensions (tranches de 4 pouces de diamètre minimum) sont utilisés pour définir les motifs planaires de métallisation. Les photorépéteurs utilisés à cette fin présentent des résolutions largement submicroniques (le standard industriel du domaine est typiquement de 0,3 µm) pour des longueurs d'ondes acoustiques comprises entre 50 et 1 µm. Par ailleurs, les machines de dépôts (évaporation, pulvérisation cathodique, dépôts en phase vapeur) permettent une maîtrise de l'épaisseur des couches au pour-cent de la valeur nominale. Les géométries des films résultants sont par conséquent définies avec grande précision (voir [E2000]).
Cette particularité permet un niveau de prévision théorique remarquable, compatible avec une exploitation industrielle en grands volumes. En effet, à l'instar de la microélectronique, il n'est pas besoin de réaliser de nombreux prototypes pour s'assurer de l'efficacité ou de la pertinence d'une conception théorique. Il faut en contrepartie développer une base assez complète d'outils de simulation pour pouvoir effectivement s'affranchir de cette contrainte de prototypage et satisfaire aux critères de précision requis par les utilisateurs de filtres passifs et autres composants acoustoélectroniques. Nous tenterons ici de montrer une démarche en ce sens permettant d'accéder à des niveaux croissants de description des principes. Une fois posées les briques de base communes à la grande majorité des modèles de dispositifs acoustoélectriques, nous étudierons spécifiquement les cas des ondes de surface et des modes de volume, selon cet ordre, en développant notre description selon un schéma croissant de complexité.
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Principe de l'analyse théorique et stratégie de conception
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7. Conclusion
Cet article a montré quels étaient les degrés de raffinement accessibles aujourd'hui en matière de modélisation des ondes élastiques guidées et la mise en œuvre de méthodes numériques avancées pour la conception et l'analyse de filtres à ondes de surface. Nous n'avons pu passer en détail de façon exhaustive tous les modèles développés à cette fin, ce qui laisse envisager l'activité foisonnante sur le sujet. Par ailleurs, si les modèles de propagation présentés ici sont clairement très aboutis et intensivement exploités par les chercheurs et ingénieurs du domaine, l'activité de recherche se poursuit toujours et encore, en plaçant aujourd'hui l'objectif vers la mise au point de modèles tridimensionnels capables de rendre compte précisément des effets transverses dans les transducteurs mais aussi des effets de guidage des bus de connexion particulièrement utilisés pour les filtres à ondes de surface à couplages latéraux, ainsi que de la possibilité d'améliorer le confinement des ondes de volume sur films minces par ajout de structures idoines au niveau des électrodes supérieures.
Le développement d'un outil 3D complet, bien qu'extrêmement ambitieux, figure au programme de nombreuses équipes de recherche qui peuvent dès maintenant accéder à des moyens de calcul à hauteur de leur objectif. C'est assurément vers ce genre de modèles que l'évolution se fait, ainsi que vers des outils de simulation précis, versatiles et polyvalents, capables de se combiner avec les logiciels de simulation de circuits électroniques du commerce (par exemple le code ADS commercialisé par la société Agilent) et permettant à terme une conception généralisée du filtre dans son environnement radiofréquence. Cette approche est déjà mise en œuvre pour tenir compte de l'influence de l'environnement électromagnétique sur les composants passifs pour de nombreuses applications industrielles. Le développement des modules RF, intégrant toutes les fonctionnalités de traitement du signal haute fréquence en particulier pour la téléphonie mobile va certainement intensifier l'effort de simulation global déjà pressenti ces dernières années. Les compétences des concepteurs de filtres passifs RF doivent donc s'étendre à ce type d'objet dans un futur très proche.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AULD (B.A.) - Acoustic fields and waves in solids, - R.E Krieger publishing company ED. Malabar - Florida (1990).
-
(2) - ROYER (D.), DIEULESAINT (E.) - Acoustique dans les solides, - Tome I, Masson Ed. (1997) – ROYER (D.), DIEULESAINT (E.), Elastic waves in solids, Springer-Verlag Ed. (2000).
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(3) - FAHMY (A. H.) and ADLER (E.) - Propagation of surface acoustic waves in multilayer : a matrix description, - Appl. Phys. Lett., Vol. 22, pp. 495-497 (1973).
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(4) - REINHARDT (A.), PASTUREAUD (T.), BALLANDRAS (S.), LAUDE (V.) - Scattering matrix method for modeling acoustic waves in piezoelectric, fluid, and metallic multilayers, - J. of Appl. Phys., Vol. 94, No 10, pp. 6923-6931, (2003).
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(5) - BALLANDRAS (S.), REINHARDT (A.), KHELIF (A.), WILM (M.), LAUDE (V.), DANIAU (W.), BLONDEAU-PÂTISSIER (V.) - Theoretical analysis of damping effects of guided elastic waves at solid/fluid interfaces, - Journal of Applied Physics, Vol.99, pp.054907 : 1-9 (2006).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Standard on piezoelectricity Std 176-1949, Proc. of the IRE , vol 37, pp. 1378-1395, 1949. - IEEE -
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IEEE Standard on Piezoelectricity, http://standards.ieee.org/reading/ieee/std_public/description/ultrasonics/176-1987_desc.html - ANSI/IEEE Std 176-1987 -
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