FR3079053A1 - Substrats composites pour les dispositifs d'etiquette a ondes acoustiques de surface pour applications de rfid et de capteurs - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface comprenant un substrat de propagation d'ondes acoustiques (202), au moins une structure de transducteur (204) comprenant des électrodes en peigne interdigitées (216), et au moins un moyen réfléchissant, le moyen réfléchissant comprenant au moins un réflecteur (206, 208, 210), caractérisé en ce que le substrat de propagation d'onde acoustique (202) est un substrat composite (202) comprenant un substrat de base (226) et une couche piézoélectrique (224), dans lequel l'orientation cristallographique de la couche piézoélectrique (224) par rapport au substrat de base (226) est telle que la propagation d'une onde de cisaillement à l'intérieur de la couche piézoélectrique (224) et dans la direction de propagation correspondant à l'onde acoustique est rendue possible. L'invention concerne également un dispositif de détermination de quantité physique et un procédé de fabrication d'un tel dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface (200).
Description
SUBSTRATS COMPOSITES POUR LES DISPOSITIFS D’ÉTIQUETTE À ONDES ACOUSTIQUES DE SURFACE POUR APPLICATIONS DE RFID ET DE CAPTEURS
L'invention concerne des dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface pour des applications de RFID et de capteurs, et plus particulièrement un substrat composite pour des dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface.
Depuis la fin des années 1980, des dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface (SAW) sont utilisés comme étiquettes de dispositif d'identification par radiofréquence (RFID). Selon l'état de l'art, un dispositif d'étiquette SAW comprend un substrat piézoélectrique avec un seul transducteur et un ensemble de réflecteurs, positionnés à divers retards d'un côté du transducteur, ainsi qu'une antenne. Un signal RF incident est capturé par l'antenne attachée à l'étiquette SAW, qui active l'étiquette SAW et est retransmis en tant que réponse réfléchie du dispositif d'étiquette SAW.
Les caractéristiques clés à considérer pour la conception de ce type de dispositif sont le coefficient de couplage électromécanique ks 2, la stabilité en température de la fréquence de fonctionnement, et le coefficient de réflexion des réflecteurs à la condition de Bragg.
Les dispositifs d'étiquette SAW reposent sur l'utilisation d'ondes de Rayleigh se déplaçant sur la surface de niobate de lithium piézoélectrique massif (LiNbO3) selon une orientation cristalline donnée par (YX/)/128°. Avec un coefficient de couplage électromécanique ks 2 compris entre 5 et 6%, cette configuration permet de produire des étiquettes SAW fonctionnant dans une bande de fréquences centrée à 2,45GHz interrogeables à des distances de quelques centimètres à plusieurs mètres.
Mais l'utilisation de l'onde de Rayleigh dans le niobate de lithium massif ne permet pas d'obtenir un coefficient de couplage électromécanique ks 2 supérieur à 6%, en limitant ainsi la distance à laquelle le dispositif peut être interrogé.
De plus, le niobate de lithium présente en fait une forte dérive en matière de température, d'environ 70 ppm/K minimum pour le coefficient de température du retard (TCD), ce qui rend difficile la réalisation d'une architecture qui peut être utilisée en tant que capteur pour mesurer tout autre paramètre physique que la température.
Un but de l’invention est de surmonter les inconvénients mentionnés précédemment en fournissant un dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface (SAW) déposé sur un substrat composite à performance améliorée pour des applications de RFID et de capteurs, et notamment pour la mesure de paramètres physiques autres que la température.
Le but de [‘invention est atteint par un dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface, comprenant un substrat de propagation d'onde acoustique, au moins une structure de transducteur disposée au-dessus du substrat comprenant des électrodes en peigne interdigitées, et au moins un moyen réfléchissant, le moyen réfléchissant comprenant au moins un réflecteur positionné à une distance par rapport à la au moins une structure de transducteur dans la direction de propagation d'une onde acoustique, caractérisé en ce que le substrat de propagation d'onde acoustique est un substrat composite comprenant un substrat de base et une couche piézoélectrique, dans lequel l'orientation cristallographique de la couche piézoélectrique par rapport au substrat de base est telle que la propagation d'une onde de cisaillement à l'intérieur de la couche piézoélectrique et dans la direction de propagation correspondant à l'onde acoustique est rendue possible.
Dans un tel dispositif, du fait de l'orientation cristalline relative de la couche piézoélectrique par rapport au substrat de base, les ondes de cisaillement sont les ondes prédominantes se propageant dans la couche piézoélectrique et non les ondes de Rayleigh comme dans les dispositifs d’étiquette SAW. Comme la stabilité en température de l'onde de cisaillement est améliorée en utilisant le substrat composite proposé par rapport à celle des ondes de Rayleigh sur le LiNbO3 massif, il devient possible d'étendre l'application de dispositifs d'étiquette SAW à la mesure de paramètres mécaniques tels que la force, la pression, etc., en plus de la mesure de température. En outre, les modes d'ondes de cisaillement dans les substrats composites considérés présentent un coefficient de couplage électromécanique ks 2 plus fort que les modes d'onde de Rayleigh sur le LiNbO3 massif et l'utilisation de ces orientations cristallines relatives de la couche piézoélectrique par rapport au substrat de base va entraîner également une augmentation d'un facteur d'environ 2 jusqu'à environ 5 du coefficient de couplage électromécanique ks 2. Il sera donc possible d'obtenir des dispositifs d'étiquette SAW ayant une distance accrue pour une interrogation à distance.
Selon une variante de l'invention, la couche piézoélectrique du substrat composite peut être du tantalate de lithium (LiTaO3) ou du niobate de lithium (LiNbO3).
Selon une variante de l'invention, la couche piézoélectrique est du niobate de lithium LiNbO3 et l'orientation cristallographique de la couche piézoélectrique par rapport au substrat de base est (ΥΧ/)/θ selon la norme IEEE 1949 Std-176, avec Θ, un angle de l'orientation cristallographique compris entre 0° et 100°, en particulier entre 0° et 50°, ou entre 140° et 180°, modulo 180°. Dans cette plage particulière d'orientation cristallographique, le mode d’ondes de cisaillement se déplace à l'intérieur de la couche piézoélectrique, et il est possible d’observer une vitesse de propagation rapide de 4000m/s ou plus et une valeur de CTFi maximale absolue d'environ 65ppm/K, ainsi qu'une valeur de ks 2 supérieure à 20%. En général, les modes d'ondes de cisaillement présentent un facteur de couplage électromécanique ks 2 suffisamment important pour permettreJe fonctionnement des étiquettes SAW, alors que seul l’angle de coupe proche de l'orientation (YX/)/128° permet l'exploitation de l'onde de Rayleigh dans ce but. Par conséquent, des angles de coupe dans les plages [0° à 100°] et [140° à 180°] favorisent l'utilisation de modes d'ondes de cisaillement, et des ondes de Rayleigh peuvent être exploitées avec toute coupe de cristal comprise entre [100° et 180°].
Selon une variante de l'invention, la couche piézoélectrique est du Tantalate de lithium (LiTaO3) et l’orientation cristallographique de la couche piézoélectrique par rapport au substrat de base est (ΥΧ/)/θ selon la norme IEEE 1949 Std-176, avec Θ, un angle d'orientation cristallographique compris entre -30° et 90°, en particulier entre 0° et 90°, modulo 180°. Dans cette gamme particulière d'orientation cristallographique, le mode d'onde de cisaillement prédomine sur le mode Rayleigh, et une vitesse de propagation rapide d'environ 4 OOOm/s et un CTF inférieur à -20ppm/K et une valeur de ks 2 d'environ 3% à 12% peuvent être observés. En particulier, pour une plage de Θ comprise entre 20° et 60°, plus particulièrement pour Θ de l'ordre de 36° ou de l'ordre de 42°, modulo 180°, le CTF peut être proche de zéro.
Selon une variante de l'invention, le substrat de base du substrat composite est le silicium. Pour transférer des couches piézoélectriques sur du silicium, des procédés de production de masse comme SmartCut™, utilisant une implantation ionique dans un substrat source piézoélectrique pour définir une couche à transférer, fixant le substrat source à un substrat de silicium et transférant la couche par un traitement thermique ou mécanique, peuvent être utilisés. Comme alternative, des substrats de base comme le diamant, le saphir, le carbure de silicium, le quartz fondu ou le quartz peuvent être utilisés. De préférence, le substrat de base du substrat composite peut être un substrat de silicium sur isolant (SOI), correspondant à un substrat silicium - isolant - silicium stratifié, et la couche d’isolant peut être une couche de SiO2.
Selon une variante de l'invention, le substrat de base peut également comprendre un miroir de Bragg composé de couches d'impédance acoustique basse/haute alternées telles que la silice et le tungstène ou la silice et le nitrure de silicium ou la silice et le nitrure d'aluminium. Un miroir de Bragg réduit la perte d'énergie vers le substrat de base car il peut refléter la partie rayonnée du mode vers la couche piézoélectrique, et peut également ajouter une stabilité mécanique à la structure du dispositif.
Selon une variante de l'invention, au moins une partie du substrat de base peut être déformable. Il est donc possible d'avoir un dispositif d'étiquette SAW qui peut mesurer un paramètre mécanique résultant d'une déformation, comme par exemple une pression ou une vibration conduisant à une différence de temps de vol de l’onde de cisaillement réfléchie.
Selon une variante de l'invention, le au moins un réflecteur du moyen réfléchissant comprend une ou plusieurs bandes métalliques, lesdites bandes métalliques pouvant être reliées entre elles ou reliées à la masse. Les relier comme décrit précédemment conduit à une amélioration du coefficient de réflexion des réflecteurs à ia condition de Bragg, contrairement à la situation de l'état de l'art d’ondes de Rayleigh sur du LiNbO3 monolithique (YX/)/128°. Un coefficient de réflexion amélioré du réflecteur à la condition de Bragg résulte en une meilleure détection des ondes réfléchies par la structure du transducteur. Il sera donc possible d'obtenir des dispositifs d'étiquette SAW ayant un signal de réponse amélioré par rapport aux dispositifs d'étiquette SAW de l'état de l'art.
Selon une variante de l'invention, un dispositif de détermination de quantité physique comprenant deux ou plusieurs dispositifs d'étiquette SAW, au moins un étant tel que décrit précédemment, peut comprendre en outre une seule étiquette d'antenne connectée aux structures de transducteur des deux ou plusieurs dispositifs d'étiquette SAW. Ce dispositif peut mesurer deux paramètres ou plus, qui peuvent être transmis en utilisant une seule antenne. L'utilisation d'une seule antenne simplifie la structure.
Selon une variante de l'invention, un dispositif d'étiquette SAW des deux ou plusieurs dispositifs d'étiquette SAW compris dans le dispositif de détermination de quantité physique peut être un résonateur à ondes acoustiques de surface, et au moins l'un des dispositifs d'étiquette SAW peut être tel que décrit précédemment. Dans ce dispositif de détermination de quantité physique, le résonateur SAW permet l'identification d'un dispositif sur lequel une mesure d'un paramètre physique doit être effectuée. Le résonateur SAW permet l'identification et le au moins un des dispositifs d'étiquette SAW permet la mesure de la quantité physique, par exemple la température ou la pression.
Selon une variante de l'invention, le résonateur à ondes acoustiques de surface du dispositif de détermination de quantité physique peut être positionné par rapport au au moins un des dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface du dispositif de détermination de quantité physique de telle sorte qu’ils ont deux directions différentes de propagation d’onde acoustique de surface. De préférence, la direction de propagation d’onde acoustique de surface du résonateur à ondes acoustiques de surface, étant parallèle à l'un des axes cristallins de la couche piézoélectrique, forme un angle ψ avec la direction de propagation d'onde acoustique de surface du au moins un des dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface. Il en résulte que l'angle ψ peut être choisi de sorte que le résonateur à ondes acoustiques de surface puisse générer le type d'onde acoustique nécessaire pour l'application souhaitée pour le dispositif de détermination de quantité physique. Les deux dispositifs peuvent utiliser le même type d'ondes acoustiques, les deux étant des ondes de cisaillement ου étant des ondes de Rayleigh ou tout autre type d'ondes acoustiques autorisé par l'orientation de la couche piézoélectrique et la direction de propagation choisie.
« Dans une variante de l'invention, le résonateur à ondes acoustiques de surface peut être configuré pour utiliser des ondes de Rayleigh et le au moins un des dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface du dispositif de détermination de quantité physique peut être configuré pour utiliser des ondes de cisaillement. Ainsi, le résonateur à ondes acoustiques de surface peut effectuer l'identification et le au moins un des dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface peut effectuer la mesure.
Selon une variante de l'invention, le dispositif de détermination de quantité physique est configuré pour mesurer la température et/ou la pression et/ou la force et/ou est configuré pour permettre une identification. Ainsi, dans un dispositif SAW, il devient possible de permettre l'identification d'un dispositif et de mesurer un ou plusieurs de ses paramètres physiques.
Le but de l'invention est également atteint par un procédé de fabrication d'un dispositif d'étiquette SAW, comprenant les étapes consistant à a) fournir une couche piézoélectrique sur un substrat de base et b) fournir une structure de transducteur sur la couche piézoélectrique, dans laquelle à l’étape a), la couche piézoélectrique est prévue de sorte que l'orientation cristallographique de la couche piézoélectrique par rapport au substrat de base est telle que la propagation d’ondes de cisaillement correspondant aux ondes acoustiques est rendue possible. Un transfert de couche, par exemple en utilisant la technologie SmartCut™, peut être utilisé.
Selon une variante de l'invention, le procédé de fabrication d'un dispositif d'étiquette SAW décrit ci-dessus comprend en outre une étape d'amincissement du substrat de base. Par exemple, l'amincissement du substrat de base peut donner une masse sismique ou une membrane. Dans cette configuration, le dispositif d'étiquette SAW peut mesurer des forces ou des déformations.
Selon une variante de l'invention, l'étape d'amincissement du substrat de base comprend l'amincissement d'une partie de la surface opposée à la surface où est fixée la couche piézoélectrique. Ainsi, le dispositif d'étiquette SAW peut être positionné juste au-dessus de la partie amincie du substrat de base de sorte qu'il devienne sensible à une déformation.
Selon une variante de l'invention, l'étape d'amincissement du substrat de base est réalisée par gravure, humide ou sèche, par meulage ou par polissage mécano-chimique.
Selon une variante de l'invention, le substrat de base peut être un substrat semiconducteur sur isolant (SOI), de sorte que la couche d’isolant du substrat semiconducteur sur isolant (SOI) peut servir d'arrêt de gravure pour l'étape d'amincissement du substrat de base. L'utilisation d'un tel substrat SOI comme substrat de base permet un contrôle précis de l'épaisseur de la partie gravée du côté arrière du substrat de base.
L'invention peut être comprise en se référant à la description qui suit prise en association avec les figures annexées, dans lesquelles les références numériques identifient des caractéristiques de l'invention.
La figure 1 montre un dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon l'état de l'art.
La figure 2 montre un dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon un premier mode de réalisation de l'invention.
Les figures 3a et 3b illustrent les caractéristiques d'un dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface utilisant un substrat composite selon l'invention, avec une couche de SiO2 de 100 nm entre la couche piézoélectrique et le substrat de base.
La figure 4 montre des valeurs de l’effet de pointage de faisceau η et du coefficient de couplage électromécanique ks 2 en fonction de l'angle Θ d'orientation cristalline sur l'axe X et l'angle ψ de propagation sur l'axe Y, pour un substrat composite selon l'invention.
La figure 5a illustre un dispositif de détermination de quantité physique comprenant deux dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
La figure 5b illustre un dispositif de détermination de quantité physique selon un troisième mode de réalisation de l'invention, comprenant un dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon l'invention et un dispositif à résonateur SAW.
La figure 5c illustre un dispositif de détermination de quantité physique comprenant deux dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon un quatrième mode de réalisation de l'invention.
La figure 6 représente un schéma des étapes du procédé de fabrication d'un dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon l'invention.
La figure 7 représente un schéma des étapes du procédé de fabrication d'un dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon un autre mode de réalisation de l'invention.
La figure 1 montre un dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface 100 selon l'état de la technique.
Un dispositif d'étiquette SAW 100 comprend un substrat 102 avec une structure de transducteur 104 et un ensemble de réflecteurs 106, 108 et 110, positionnés à divers retards d'un côté de la structure de transducteur 104, dans la direction de propagation X, comme représenté .sur la figure 1. Ces réflecteurs 106? 108 et 110 comprennent une ou plusieurs bandes d'aluminium 112. Le dispositif d'étiquette SAW comprend également une antenne 114 reliée à la structure de transducteur 104.
La structure de transducteur 104 comprend deux électrodes en peigne interdigitées 116 et 118, comprenant chacune une pluralité de doigts d'électrode 120, 122, respectivement.
Le substrat 102 sur lequel la structure de transducteur 104 est fournie est un matériau massif piézoélectrique, avec l'axe cristallographique X, Y et Z tel que représenté sur la figure 1. Le matériau massif piézoélectrique 102 décrit ici à titre d'exemple peut être le niobate de lithium LiNbO3, notamment avec une coupe de cristal (YX/)/128° ou YZ.
Le principe de fonctionnement d'un dispositif d'étiquette SAW à base de réflecteur 100 est représenté schématiquement sur la figure 1. Un lecteur distant 124 émet une impulsion de demande électromagnétique 126, qui est reçue par l'antenne d'étiquette 114, directement connectée à la structure de transducteur 104. La structure de transducteur 104 transforme le signal électromagnétique 126 en une onde acoustique de surface Rayleigh 128, qui se propage le long de la surface du substrat 102, le long de la direction cristallographique X du matériau piézoélectrique 102 représenté sur la figure 1.
L'onde acoustique de surface 128 est ensuite partiellement réfléchie 130, 134, 138 et partiellement transmise 132, 136 par les réflecteurs 106, 108 et 110, placés à des positions prédéterminées de la structure de transducteur 104 sur le substrat 102. Les ondes acoustiques de surface réfléchies 130, 134 et 138 retournant à la structure de transducteur 104 portent un code basé sur les positions des réflecteurs 106, 108, 110. Ce procédé de codage est basé sur les retards de temps d’impulsions réfléchies. Lorsque les ondes acoustiques de surface réfléchies 130, 134 et 138 retournent à la structure de transducteur 104, le signal acoustique est ensuite reconverti en une forme électrique et retransmis par l'antenne d'étiquette 114. Le signal de réponse est ensuite détecté et décodé par le lecteur 124.
Les dispositifs d'étiquette SAW utilisent des ondes de Rayleigh comme ondes acoustiques de surface se propageant dans la direction de propagation de la direction cristallographique X du matériau piézoélectrique.
Les dispositifs d'étiquette SAW sont utilisés comme des capteurs qui peuvent être interrogés à distance, fournissant une mesure sans fil d'une quantité physique. Quelle que soit cette quantité physique, il est préférable de mettre en place une mesure différentielle pour garantir la mesure d'une grandeur physique absolue ou pour supprimer des perturbations externes corrélées affectant le capteur.
En raison de la sensibilité descapteurs SAW aux changements de nombreux paramètres environnementaux, il est habituel d'utiliser une sorte de signal ou de signaux de référence dans les capteurs, ou un ou plusieurs dispositifs de référence dans les systèmes de capteurs.
En raison d'une dérive thermique de plusieurs dizaines de ppm/K pour des dispositifs d'étiquette SAW, lorsque des dispositifs d'étiquette SAW sont utilisés pour mesurer des paramètres mécaniques tels qu’une force, une pression, etc., il est nécessaire de mesurer la température pour soustraire cette grandeur de la mesure globale rendue accessible par le dispositif d'étiquette SAW.
La figure 2 montre un dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon l'invention.
Un dispositif d'étiquette SAW 200 comprend un substrat 202 avec une structure de transducteur 204, en particulier une seule structure de transducteur, et un ensemble de réflecteurs 206, 208 et 210, positionnés à différents retards d'un côté de la structure de transducteur 204, dans la direction de propagation X, comme indiqué sur la figure 2. Ces réflecteurs 206, 208 et 210 comprennent habituellement une ou plusieurs bandes métalliques 212, par exemple des bandes d'aluminium. Le dispositif d'étiquette SAW 200 comprend également une antenne 214 connectée à la structure de transducteur 204.
En variante, les réflecteurs 206, 208 et 210 pourraient également être positionnés de part et d'autre de la structure de transducteur 204. Dans une autre variante, l'ensemble de réflecteurs comprend plus ou moins de réflecteurs, chacun pouvant présenter plus ou moins de bandes métalliques 212.
Dans une variante de l'invention, les bandes métalliques 212 des réflecteurs peuvent être connectées entre elles et/ou raccourcies. Il en résulte une amélioration du coefficient de réflexion des réflecteurs à la condition de Bragg, contrairement à la situation de l'état de la technique des ondes de Rayleigh sur le LiNbO3 monolithique (YX/)/128°. A la condition de Bragg, les ondes réfléchies du fait du chargement électrique et mécanique sont en phase, de sorte qu'un coefficient de réflexion amélioré du réflecteur à la condition de Bragg résulte en une meilleure détection des ondes réfléchies par la structure de transducteur 204.
La structure de transducteur 204 comprend deux électrodes en peigne interdigitées 216 et 218, chacune comprenant une pluralité de doigts d'électrode 220, 222 respectivement.
Contrairement à la technique antérieure, le substrat 202 sur lequel est prévue la structure de transducteur 204 est un substrat composite. Le substrat composite 202 comprend une couche de matériau piézoélectrique 224, d'axe cristallographique X, Y et Z, formée sur le dessus d'un substrat de base 226.
« La couche piézoélectrique 224, dans ce mode de réalisation, est du niobate de lithium
LiNbO3, de préférence du LiNbO3 avec une orientation cristalline par rapport au substrat de base définie selon !a norme IEEE 1949 Std-176 comme (ΥΧ/)/θ, avec 0°<θ<100° ou avec 140°< Θ <180°, ou du tantalate de lithium LiTaO3, de préférence du LiTaO3 avec une orientation cristalline définie par rapport au substrat de base selon la norme IEEE 1949 Std-176 comme (ΥΧ/)/θ, avec Θ entre -30° et 90°. La couche piézoélectrique 224 est de préférence un monocristal.
L'épaisseur de la couche piézoélectrique 224 formée sur le substrat de base 226 est de l'ordre d'une longueur d'onde λ ou inférieure, en particulier d'environ 2pm ou moins, en particulier Λ/4, encore plus particulièrement A/10. Ici, une longueur d'onde λ est deux fois la période mécanique de la structure de transducteur 204, telle que définie pour la condition de Bragg. L'épaisseur t du substrat de base 226 doit être supérieure à l'épaisseur de la couche piézoélectrique 224 pour imposer sa dilatation thermique à la couche piézoélectrique 224 et pour réduire la sensibilité des transducteurs aux changements de température. Une situation préférée correspond à une épaisseur du substrat de base 226 qui est au moins dix fois supérieure à l'épaisseur de la couche piézoélectrique 224, en particulier 50 à 100 fois plus grande, ce qui correspondrait à une épaisseur de substrat de base comprise entre 250 et 500 pm.
Le substrat de base 226 utilisé dans le premier mode de réalisation de l'invention est un substrat de silicium. L'orientation du substrat de silicium est de préférence (100) du fait de la vitesse de propagation d'onde acoustique plus élevée par rapport à l'autre orientation cristalline, comme par exemple (110), (111) ou (001), qu’il est cependant possible d’utiliser. Puisque le coefficient de dilatation thermique de Si est voisin de 2,6ppm/°C, le coefficient de dilatation thermique combiné du dispositif d'étiquette SAW sera généralement dans la plage allant de 2,6ppm/°C jusqu’au coefficient de dilatation thermique du matériau piézoélectrique 224 utilisé, en fonction de l'épaisseur de la couche piézoélectrique 224 et du niveau de contrainte au niveau de l'interface de liaison 228. L'abaissement effectif du coefficient de dilatation thermique du substrat composite 202 conduit à un coefficient de fréquence de température réduit (CTF) de la structure de transducteur 204. Il est également avantageux d'utiliser un substrat de base 226 qui présente une dilatation thermique inférieure, jusqu'à dix fois plus petite voire plus, que celle de la couche piézoélectrique 224, en imposant ainsi la dilatation thermique composite globale et en produisant une réduction de CTF ainsi qu’un contrôle de CTF de manière optimale.
Comme mentionné précédemment, en utilisant un matériau différent pour le substrat de base 226, la flexibilité de la conception peut être améliorée. A la place du Silicium, il est possible de choisir d'autres matériaux de substrat à haute vitesse de propagation d’onde acoustique comme le diamant, le saphir, le carbure de silicium, le nitrure d'aluminium, le quartz fondu ou le quartz, et plus généralement tout matériau présentant une vitesse dbnde de de cisaillement lente égale ou supérieure à 4500m/s. La vitesse d'onde de volume de cisaillement lente est sensible à l'orientation du substrat de base, par exemple pour le silicium (111), la vitesse est d'environ 4500m/s tandis que pour le silicium (100), elle est d'environ 5700m/s.
En outre, un matériau ayant une dilatation thermique plus petite que le silicium, par exemple certaines compositions de quartz amorphe ou de verre Pyrex ou de Mica ou de carbure de silicium, par exemple, peut être avantageusement utilisé comme substrat de base pour contrôler le CTF du dispositif résultant.
Dans une variante de l'invention, le substrat de base peut en outre comprendre une couche riche en pièges proche de la couche supérieure de matériau piézoélectrique, ladite couche riche en pièges améliorant les performances d'isolation du substrat de base et peut être formée par au moins un parmi des matériaux polycristallins, amorphes ou poreux tels que par exemple le silicium polycristallin, le silicium amorphe ou le silicium poreux, mais l'invention n'est pas limitée à de tels matériaux.
En variante, le substrat de base peut être un substrat semiconducteur sur isolant (SOI). Un substrat de silicium sur isolant (SOI) correspond à un substrat silicium-isolant-silicium stratifié. La couche d’isolant peut être une couche de SiO2.
Dans ce mode de réalisation, une mince couche de SiO2 230 est prévue à la surface 228 entre la couche piézoélectrique 224 et le substrat de base 226 pour améliorer la fixation de la couche de matériau piézoélectrique 224 au substrat de base 226. La couche de SiO2 230 a une épaisseur de 100nm, mais dans une variante, l'épaisseur de la couche de SiO2 230 peut varier et être supérieure ou inférieure à 100nm d'épaisseur, et peut varier notamment entre 10nm et 6pm. La présence de la couche de SiO2 diélectrique 230 peut modifier le coefficient de couplage électrochimique ks 2, la stabilité en température du substrat composite 202 ainsi que la vitesse de phase d'onde. Cette influence dépend de l'épaisseur de la couche, et par exemple une augmentation de l'épaisseur de la couche de SiO2 réduit la vitesse de phase d'onde. Par conséquent, l'épaisseur de la couche de SiO2 230 représente un paramètre pour optimiser les propriétés du substrat composite 202 pour obtenir le coefficient de couplage électrochimique requis ks 2 et la stabilité en température du substrat composite 202 et la vitesse de phase d'onde pour les applications souhaitées du dispositif d’étiquette SAW.
Un substrat composite 202 avec une combinaison de couplage fort, de 1% à 25% ou plus, et une stabilité en température du fait de la combinaison de matériaux avec différents coefficients de température de fréquence CTF et une haute vitesse de propagation d'onde acoustique, améliorera les performances du dispositif d'étiquette SAW 200.
Be plus, dans ce mode de réalisation, et selon l'invention, du fait de l'orientation cristalline relative de la couche de matériau piézoélectrique 224 par rapport au substrat de base 226, les ondes de cisaillement sont les ondes prédominantes se propageant dans la direction cristallographique X de la couche piézoélectrique, et pas les ondes de Rayleigh comme dans les dispositifs d'étiquette SAW de l'état de l'art. La stabilité en température de l'onde de cisaillement sur le substrat composite 202 étant meilleure que celle de l'onde de Rayleigh sur le LiNbO3 monolithique (YX/)/128°, il devient possible d'étendre l'application des dispositifs d'étiquette SAW à la mesure de paramètres mécaniques, comme la force, la pression, etc., en plus de la mesure de la température.
Par ailleurs, les modes d'onde de cisaillement sur substrat composite à base de couches de LiTaO3 peuvent présenter un coefficient de couplage électromécanique plus élevé ks 2, supérieur à 10%, par comparaison aux modes d'onde de Rayleigh sur LiNbO3 monolithique (YX/)/128°, ayant un coefficient de couplage électromécanique ks2 de l'ordre de 5,8%. Par exemple, en utilisant du LiTaO3 ayant comme orientation cristalline (YX/)/42° par rapport au substrat de base en tant que couche de matériau piézoélectrique, un coefficient de couplage électromécanique ks 2plus fort de l'ordre de 11,3% est obtenu, et aura pour résultat une augmentation d'un facteur d'environ 2 du coefficient de couplage électromécanique ks2. Pour des plaquettes composites à base de LiNbO3, il est possible d’atteindre un coefficient de couplage électromécanique supérieur à 20%, et par conséquent d’atteindre une augmentation du couplage électromécanique d'un facteur d'environ 5. Cette augmentation du couplage électromécanique conduira à son tour à des dispositifs d'étiquette SAW ayant une distance accrue pour une interrogation à distance.
Enfin, le mode d’onde de cisaillement sur substrat composite selon l'invention se propage à une vitesse supérieure ou similaire à 4000 m/s, environ 5 à 10% plus rapide que le mode d’onde de Rayleigh sur LiNbO3 monolithique (YX/)/128°, qui est favorable d’un point de vue de fabrication technologique comme pour une fréquence donnée, par exemple 2,45GHz, la largeur de doigt d'électrode du dispositif d'étiquette SAW sera plus grande en utilisant un substrat composite de substrat à base de LiTaOs/silicium plutôt que de LiNbO3 monolithique (YX/)/128°.
Les figures 3a et 3b illustrent les courbes de dispersion pour les modes de Rayleigh et les modes d'onde de cisaillement purs d'un substrat composite avec un substrat de base de silicium, une couche diélectrique de SiO2de 100 nm d'épaisseur et une couche piézoélectrique de 500 nm d'épaisseur.
Dans le cas de la figure 3a, du LiNbO3 est utilisé comme matériau piézoélectrique, alors que pour la figure 3b, du LiTaO3est utilisé. La fréquence de fonctionnement est de 2,45GHz.
Les figures 3a et 3b représentent respectivement la vitesse de phase (m/s) de l'onde guidée sur l'axe Y gauche et le coefficient de couplage électromécanique ks 2 (%) et la valeur de CTF (ppm/K) sur l'axe Y droit, en fonction de l'angle de rotation Θ de ia coupe de la couche piézoélectrique par rapport au substrat de base, sur l'axe X, pour les modes de cisaillement et de Rayleigh.
Comme on peut le voir sur la figure 3a, pour le niobate de lithium, pratiquement tous les modes de cisaillement ont une valeur de coefficient de couplage électromécanique Inappropriée pour l'application du dispositif d'étiquette SAW. Une configuration favorable pour l'utilisation d’ondes de cisaillement avec du niobate de lithium correspond à des angles de coupe compris entre 0° et 100° ou entre 140° et 180° afin de profiter d'une valeur absolue maximale de CTF comprise entre 50 et 65ppm/K, c'est-à-dire un TCD supérieur à 50ppm/K. Notons que pour des raisons de symétrie fondamentale, les propriétés des ondes s’avèrent être identique tous les 180° pour l'angle Θ (rotation autour de l'axe X). En effet, le fonctionnement du dispositif d’étiquette SAW doit être utilisé pour des angles Θ compris entre 0° et + 50°, étant donné que le coefficient de couplage électromécanique maximum ks 2 pour ces configurations est supérieur à 20 %.
L'utilisation de l'axe de propagation de l’onde de cisaillement le long de la direction d'axe cristallographique X du matériau piézoélectrique est préférée car le coefficient de couplage électromécanique ks 2est maximisé pour les ondes de cisaillement, tandis que pour les ondes de Rayleigh, aucun effet d'orientation de faisceau, étant la différence entre la direction d’onde avant et la direction de l'énergie, ne se produira dans une telle configuration. Cependant, d'autres directions de propagation restent utilisables pour les applications d'étiquette SAW à condition que le coefficient de couplage électromécanique correspondant ks 2 soit supérieur à 5%, en particulier 3% ou plus.
Comme il est possible de le voir sur la figure 3b, les modes de Rayleigh pour le tantalate de lithium n'atteignent pas un coefficient de couplage électromécanique ks 2 supérieur à 3%. D'autre part, avec un coefficient de couplage électromécanique V compris entre 3% et 12%, l'onde de cisaillement pure est exploitable dans la plage angulaire -307+90°, modulo 180°.
En outre, dans la plage angulaire de 0° à +90°, des valeurs absolues de CTF inférieures à 20 ppm/K sont atteintes, qui sont des valeurs physiques différentes de la température, comme la pression et tout paramètre impliquant une combinaison de contraintes (couple, accélération, force, vibration, etc.). Ces configurations de coupe de cristal semblent particulièrement avantageuses pour toute application non liée à la température.
u II est également possible de voir que pour la coupe (ΥΧ/ί)/θ de Tantalate de lithium, avec
Θ compris entre 20° et 60°, notamment pour Θ égal à 36 ° et donc une coupe (YX/)/36 le CTF est proche de zéro.
De plus, il est possible de voir que le CTF est compatible avec la mesure de 5 température dans la plage angulaire -3070°.
Le tantalate de lithium présente en outre une sensibilité à la température ajustable de 50 à +5ppm/K, un degré de liberté qui peut être exploité. Le niobate de lithium, contrairement à celui-ci, présente des CTF de plus de 50ppm/K en valeur absolue.
Le fait de pouvoir accéder à un substrat moins sensible voire insensible aux effets thermiques permet de mesurer de manière simple et efficace des quantités physiques, notamment des propriétés mécaniques. Lorsque le capteur est insensible aux effets thermiques, l'interférence induite par les variations thermiques dans la mesure des propriétés mécaniques sera réduite. Il sera donc plus simple et plus efficace d'obtenir la mesure des propriétés mécaniques d'intérêt comme lors de l'utilisation d'un capteur SAW selon l'état de l'art, comme sur la figure 1.
La figure 4 montre des valeurs de l'effet d'orientation de faisceau η et du coefficient de couplage électromécanique ks 2 en fonction de l'angle Θ d'orientation cristallographique tracé sur l'axe X, et de l'angle ψ de propagation tracé sur l'axe Y, pour du tantalate de lithium sur un substrat de SiO2 sur silicium.
Pour les ondes de cisaillement présentant un champ de déplacement mécanique scalaire, toute direction de propagation peut être considérée. Cependant, aussitôt que survient une propagation le long d'une direction cristalline telle que l'axe X, il se produit une orientation de faisceau qui indique le mélange entre le champ de cisaillement et le champ de déplacement sagittal. Néanmoins, il existe une famille de coupe de cristal pour laquelle un facteur de couplage électromécanique supérieur à 3% et un angle de pointage de faisceau nul peuvent être obtenus.
Selon 1a figure 4, cette zone d'orientation cristalline est définie par (ΎΧννΙ1:)Ιφ/ΘΙψ avec φ = 0°, 80°<θ<150° et 50°<<//<80°. Dans cette région, le facteur de couplage peut être supérieur à 7,0% avec un angle de pointage de faisceau proche ou égal à zéro.
Pour des ondes de cisaillement, la direction de propagation le long de l'axe X peut être utilisée pour maximiser le facteur de couplage électromécanique ks 2.
La figure 5< illustre un dispositif de détermination de quantité physique comprenant deux dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
Le dispositif de détermination de quantité physique 300 illustré sur la figure 5a comprend deux dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface 302 et 304 selon l'invention. Le dispositif de détermination de quantité physique 300 correspond à un capteur multi-physique, où différents paramètres physiques peuvent être mesurés, par exemple la température et la pression.
En variante, le dispositif de détermination de quantité physique 300 peut comprendre plus de deux dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon l'invention.
Chacun des deux dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface 302 et 304 comprend une structure de transducteur 306 et un ensemble de réflecteurs 308, 310 et 312, positionnés à divers retards d'un côté de la structure de transducteur 306 dans la direction de propagation X, comme représenté sur la figure 5a. Les réflecteurs 308, 310 et 312 pourraient également être positionnés de chaque côté de la structure de transducteur 306. La structure de transducteur 306 comprend deux électrodes en peigne interdigitées 314 et 316, comprenant chacune une pluralité de doigts d'électrode 318. Les réflecteurs 308, 310 et 312 comportent généralement une ou plusieurs bandes métalliques 320.
Le dispositif d'étiquette SAW comprend également une antenne 322 connectée à la structure de transducteur 306. Dans ce mode de réalisation, l'antenne 322 se connecte réellement aux deux structures de transducteur 306 des deux dispositifs d'étiquette SAW 302, 304. Selon un aspect de l'invention, une seule l'antenne 322 est utilisée indépendamment du nombre de dispositifs d'étiquette SAW 302, 304 utilisés. Selon un autre aspect de l'invention, chaque dispositif d'étiquette SAW peut être couplé à sa propre antenne pour favoriser la distance d'interrogation.
Dans ce mode de réalisation, les deux dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface 302 et 304 sont connectés l'un à l'autre. La connexion peut être en série ou en parallèle. En variante, ils ne peuvent pas non plus être connectés l’un à l’autre.
Dans ce mode de réalisation, les deux dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface 302 et 304 ont la même structure, ce qui signifie que leur structure de transducteur 306, les réflecteurs 308, 310 et 312 et leur conception ont les mêmes dimensions. Dans une variante du mode de réalisation, ils peuvent également avoir des dimensions différentes pour s'adapter à l'usage prévu.
s Le substrat 324 sur lequel sont prévus la structure de transducteur 306 et les réflecteurs 308, 310 et 312 est le même que le substrat composite 202 du premier mode de réalisation, et ses caractéristiques ne seront donc pas décrites en détail à nouveau, mais il sera fait référence à sa description au-dessus.
Dans ce mode de réalisation, les dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface 302 et 304 peuvent tous deux être utilisés en tant que capteurs pour déterminer une quantité physique, telle que la température, ou une quantité mécanique, respectivement.
Dans le dispositif de détermination de quantité physique 300, en raison de l'orientation cristalline relative de la couche piézoélectrique 224 par rapport au substrat de base 226, les ondes de cisaillement sont les ondes prédominantes se propageant dans la couche piézoélectrique 224. Comme la stabilité en température de l'onde de cisaillement est meilleure que celle d'une onde de surface de Rayleigh telle qu'utilisée dans les dispositifs de la technique antérieure, il devient possible d'étendre l'application des dispositifs d'étiquette SAW à la mesure de paramètres autres que la température, en particulier des paramètres mécaniques, tels que la force, la pression, etc.
De plus, par exemple, en utilisant des ondes de cisaillement sur du LiTaO3 (YX/)/42 ° sur un substrat composite, le coefficient de couplage électromécanique ks 2 obtenu est d'environ 11,3%, ce qui correspond à un facteur d’environ 2 fois plus grand que quand des ondes de Rayleigh sont utilisées sur du LiNbO3 monolithique (YX/)/128°, où un coefficient de couplage électromécanique ks2 de l'ordre de 5,8% est obtenu pour ces dispositifs de l'état de l'art. Pour des plaquettes composites à base de LiNbO3, en considérant les découpes de LiNbO3 (ΥΧ/)/θ avec l'angle Θ défini dans la plage [0° à 50°], il est possible d’atteindre un coefficient de couplage électromécanique supérieur à 20%, correspondant à un facteur d’environ 5 fois plus grand que les dispositifs de la technique antérieure tels que décrits ci-dessus. Il en résulte la possibilité de coupler les deux dispositifs d'étiquette SAW à une seule antenne, ce qui est au moins assez désavantageux lorsque les ondes de Rayleigh mentionnées ci-dessus sont utilisées. En fait, dans le cas des ondes de Rayleigh, la perte d'énergie serait plus élevée en raison d'un coefficient de couplage plus faible. La conception du dispositif de détermination de quantité physique 300 est donc plus simple, et son applicabilité est étendue.
La figure 5b illustre un dispositif de détermination de quantité physique comprenant deux dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface, avec au moins l'un d'entre eux selon l'invention, selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
Le dispositif de détermination de quantité physique 400 illustré sur la figure 5b comprend deux dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface 402 et 404 comme pour le dispositif de détermination de quantité physique 300 du deuxième mode de réalisation, la différence étant qu'un des dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surfaces.peut être utilisé en tant que capteur, et les autres dispositifs d’étiquette ondes acoustiques de surface 404 peuvent être utilisés pour l'identification. Le dispositif de détermination de quantité physique 400 peut donc fournir à la fois l'identification et l'activité de mesure en utilisant un seul substrat 424.
Le substrat 424 du dispositif de détermination de quantité physique 400 est le même que le substrat composite 202 du premier mode de réalisation, et ses caractéristiques ne seront donc pas décrites en détail à nouveau, mais il peut être fait référence à sa description cidessus.
En variante, le dispositif de détermination de quantité physique 400 peut comprendre plus de deux dispositifs d'étiquettes à ondes acoustiques de surface selon l'invention, l'un d'entre eux étant utilisé pour l'identification et les autres comme capteurs.
Le dispositif d'étiquette SAW 404 ou le résonateur permet l'identification et le dispositif d'étiquette SAW 402 permet la mesure de la quantité physique, par exemple la température. Un résonateur SAW utilise généralement la fréquence de résonance comme paramètre de mesure, tandis que des capteurs d'étiquette SAW utilisent le retard d'une ligne de retard ou la réponse de signal comprimer comme paramètre pour indiquer une quantité mesurée.
Le dispositif d'étiquette SAW 402 et le résonateur SAW 404 peuvent fonctionner à des fréquences différentes, par exemple 2,45 GHz pour le dispositif d'étiquette SAW et 434 ou 866 MHz pour le dispositif de résonateur SAW. Les deux dispositifs peuvent être réalisés sur le même substrat de base 226 et peuvent utiliser différents types de modes, car le résonateur et le retard ne nécessitent pas la même caractéristique clé par principe. Par exemple, le dispositif d'étiquette SAW 402 peut utiliser une onde de cisaillement avec un coefficient de couplage électromécanique ks 2 supérieur à 6 %, tandis que le dispositif de résonateur SAW 404 peut utiliser une onde de Rayleigh avec un coefficient de couplage électromécanique compris entre 0,1 et 0,5%. Les deux dispositifs SAW 402, 404 peuvent exploiter des directions de propagation spécifiques, par exemple, LiNbO3 (YX/)/42° pour le dispositif d’étiquette SAW 402 et LiNbO3 (YX/t)/42°/90° pour l'onde de Rayleigh pour le dispositif de résonateur SAW 404, comme représenté sur la figure 4b.
Dans ce mode de réalisation, les dispositifs d'étiquette SAW 402 et le dispositif de résonateur SAW 404 ont une structure différente, ce qui signifie que leur structure de transducteur 406, 408, respectivement, et les réflecteurs 410, 412 et 414 ont des conceptions et/ou dimensions différentes. Dans une variante du mode de réalisation, ils peuvent également avoir les mêmes dimensions et/ou la même conception pour s'adapter à l'utilisation prévue.
Dans ce mode de réalisation, les structures de transducteur 406, 408 et les réflecteurs 410, 412 et 414 ont les mêmes caractéristiques, à savoir des électrodes en peigne interdigitées 314 et 316, des doigts d'électrode 318 et des bandes métalliques 320, que la structure de transducteur 306 et les réflecteurs 310 312 et 314 du deuxième mode de réalisation, et il sera fait référence à leur description ci-dessus pour plus de détails.
Sur la figure 5b, la direction de propagation de l'onde acoustique pour le dispositif d'étiquette SAW 402 est le long de la direction cristallographique X de la couche piézoélectrique 224 du substrat composite 424, tandis que la direction de propagation de l'onde acoustique pour le dispositif de résonateur SAW 404 est tournée d'un angle ψ par rapport à la direction cristallographique X de la couche piézoélectrique 224. La coupe de la couche piézoélectrique 224 du substrat composite 424 serait alors définie comme (ΥΧ/)/θ pour le dispositif d'étiquette SAW 402 et (ΥΧ/ί)/θ/(μ pour le dispositif de résonateur SAW 404, selon la norme IEEE 1949 Std-176.
Sur la figure 5b, l'angle ψ a une valeur de 90°, mais dans une variante du mode de réalisation, une autre valeur de ψ pourrait être utilisée, en fonction du type d'onde acoustique générée par le dispositif de résonateur SAW 404 nécessaire à l'application.
Sur la figure 5b, un angle ψ de 90° a pour résultat que le dispositif de résonateur SAW 404 utilise une onde de Rayleigh tandis que le dispositif d'étiquette SAW 402 utilise une onde de cisaillement. Dans une variante du mode de réalisation, à la fois le dispositif d'étiquette SAW 402 et le dispositif de résonateur 404 peuvent utiliser le même type d'ondes acoustiques, les deux étant des ondes de cisaillement ou étant des ondes de Rayleigh ou tout autre type d'ondes acoustiques permises par l'orientation de la couche piézoélectrique 224 choisie.
Le dispositif de résonateur SAW 404 étant positionné selon un angle ψ de 90° par rapport au dispositif d'étiquette SAW 402 signifie que la structure de transducteur 406 et les réflecteurs 410, 412 et 414 du dispositif de résonateur SAW 404 sont également positionnés selon un angle ψ de 90° par rapport à la structure de transducteur 408 et aux réflecteurs 410, 412 et 414 du dispositif de résonateur SAW 404.
Le dispositif d'étiquette SAW 402 et le dispositif de résonateur SAW 404 sont connectés à la même antenne 422. Dans une variante du mode de réalisation, chaque dispositif SAW 402, 404 peut avoir sa propre antenne.
Le dispositif d'étiquette SAW 402 et le dispositif de résonateur SAW 404 sont également connectés l'un à l'autre. La connexion dépendra de la contribution du résonateur aux hautes fréquences, en supposant que le résonateur fonctionne à une fréquence plus basse que les étiquettes SAW. Le dispositif d'étiquette SAW se comporte dans ce cas comme un condensateur pur pour le résonateur, et alors il peut être connecté soit en parallèle ou en série, mais le plus préférablement en série car sinon la capacité du dispositif d’étiquette SAW, qui est par essence beaucoup plus grande que l'un des résonateurs, va tuer le couplage électromécanique du résonateur.
Dans une variante où chaque dispositif SAW 402, 404 a sa propre antenne, le dispositif d'étiquette SAW 402 et le dispositif de résonateur SAW 404 peuvent également être autonomes car ils ne partagent pas la même opération bande/fréquence.
Sur la figure 5b, les deux dispositifs sont également réalisés sur le même matériau piézoélectrique 224, mais dans une variante du mode de réalisation, le dispositif d'étiquette SAW 402 peut comprendre un premier matériau piézoélectrique et le dispositif de résonateur SAW 404 peut comprendre un second matériau piézoélectrique, les premier et second matériaux piézoélectrique se trouvant sur le dessus du même substrat de base 226.
La figure 5c illustre un dispositif de détermination de quantité physique comprenant deux dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon un quatrième mode de réalisation de l'invention.
Le dispositif de détermination de quantité physique 500 illustré sur la figure 5c comprend deux dispositifs d’étiquette à ondes acoustiques de surface 302 et 304 similaires au dispositif de détermination de quantité physique 300 du deuxième mode de réalisation, et leurs caractéristiques ne seront donc pas décrites en détail à nouveau, mais il pourra être fait référence à sa description ci-dessus.
En variante, le dispositif de détermination de quantité physique 500 peut comprendre plus de deux dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon l'invention.
Le substrat 502 du dispositif de détermination de quantité physique 500, sur lequel sont prévus la structure de transducteur 306 et les réflecteurs 308, 310 et 312, est le même que le substrat composite 202 du premier mode de réalisation et ses caractéristiques ne seront donc pas décrites en détail à nouveau, mais il pourra être fait référence à sa description ci-dessus.
Le dispositif de détermination de quantité physique 500 diffère du dispositif de détermination de quantité physique 300 du deuxième mode de réalisation, en ce que le substrat de base 504 du substrat composite 502 du dispositif de détermination de quantité physique 500 peut être partiellement aminci de sorte que le substrat de base 504 est évidé, laissant seulement une épaisseur déterminée de matériau sous l'un des dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface, comme illustré sur la Fig. 5c, dans une vue en coupe latérale du dispositif de détermination de quantité physique 500.
t Selon le matériau piézoélectrique 506 et le substrat de base 504, le substrat de base 504 peut être évidé par un processus d'amincissement de sa surface 508, en laissant seulement une épaisseur t2 du substrat de base 504 sous le dispositif d'étiquette SAW 304, comme illustré sur la figure 5c. Sur la figure 5c, la surface 508 du substrat de base 504 est la surface opposée à la surface 510 où le matériau piézoélectrique 506 est fixé au substrat de base 504 via la couche de SiO2 512. Ce type d'architecture peut être utilisé pour compenser des variations de température, et ainsi réduire la sensibilité du dispositif à la température.
En outre, le fait que le substrat de base en silicium 504 puisse être aminci sur sa surface 508 permet de rendre déformable une région 514 du substrat de base en silicium 504, car l'épaisseur résultante t2 de la région 514 du substrat de base 504 peut être suffisamment mince pour réagir aux vibrations, à la pression...
La région 514 est située sous l'un des deux dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface 302 ou 304 prévus sur la couche piézoélectrique 506. Sur la figure 5c, la région amincie 514 du substrat de base 504 est située uniquement sous les dispositifs à ondes acoustiques de surface 302.
En variante, la région amincie 514 peut également être positionnée dans le substrat de base 524 entre deux réflecteurs, c'est-à-dire entre 308 et 310, éventuellement entre 310 et 312.
Ainsi, du fait de la présence d'une région amincie 514 du substrat de base 504 sous le dispositif d'étiquette SAW 302, le dispositif d'étiquette SAW 302 peut être utilisé pour mesurer des paramètres mécaniques, tels que la pression, les vibrations.... Les changements de vibrations ou de pression de la région amincie 514 dans le substrat de base 504 conduira à une variation du retard des modes réfléchis par les réflecteurs. Ces variations du retard seront détectées par la structure de transducteur du dispositif d'étiquette SAW 302 et permettront de mesurer le paramètre de vibrations ou de pression.
Selon une variante, l'amincissement de la surface du substrat de base peut avoir lieu sous chacun des dispositifs d'étiquette SAW jouant le rôle de capteur dans le dispositif de mesure de quantité physique. La configuration du dispositif de mesure de quantité physique telle que représentée sur la figure 4b peut également être utilisée.
La figure 6 illustre un schéma des étapes du procédé de fabrication d'un dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon l'invention, tel qu'illustré sur la figure 5c.
Le procédé comprend une étape a) de fourniture d'une couche piézoélectrique 600 d'une épaisseur t sur un substrat de base 602 pour former un substrat composite 604.
Pour réaliser le cubstrat composite 604 selon l'invention, à l'étape a) du procédé, un substrat de base 602 est prévu. Le substrat de base 602 est un substrat de base en silicium, ou tout autre matériau de substrat ayant une vitesse de propagation d'onde acoustique élevée, comme le diamant, le saphir, le carbure de silicium, le nitrure d'aluminium, le quartz fondu ou le quartz.
La couche piézoélectrique 600 est soit du niobate de lithium monocristallin (LiNbO3), soit du tantalate de lithium (LiTaO3). L'épaisseur t de la couche piézoélectrique 600 formée sur le substrat de base 602 est de l'ordre de la longueur d'onde λ, en particulier inférieure à la longueur d'onde, par exemple A/4 ou même Λ/10, plus particulièrement 0,5pm.
Dans le substrat composite 602, comme illustré à l'étape a), la couche piézoélectrique 600 est prévue de sorte que la couche piézoélectrique 600 ait une orientation cristalline par rapport au substrat de base 602, de sorte que la propagation d'une onde de cisaillement correspondant à Fonde acoustique soit possible.
Lorsque la couche de matériau piézoélectrique 600 est du niobate de lithium LiNbO3, l'orientation cristallographique du matériau piézoélectrique LiNbO3 par rapport au substrat de base 602 est (ΎΧΓ)ΙΘ selon la norme IEEE 1949 Std-176, avec Θ, un angle de l'orientation cristallographique, compris entre 0° et 100°, en particulier entre 0° et 50°, ou entre 140° et 180°, modulo 180°.
Lorsque du tantalate lithium LiTaO3 est utilisé comme couche de matériau piézoélectrique 600, l'orientation cristallographique du matériau piézoélectrique LiTaO3 par rapport au substrat de base 602 est (ΥΧ/)/θ selon la norme IEEE 1949 Std-176, avec Θ, un angle de l’orientation cristallographique, compris entre -30° et 90°, en particulier entre 20° et 60°, modulo 180°.
Une mince couche de SiO2 606 de 100 nm est prévue sur le dessus du substrat de base 602 avant de fournir la couche piézoélectrique 600 pour améliorer la fixation. La couche de SiO2 peut être naturellement présente sur le substrat de base de silicium 602, ou peut être formée en utilisant des techniques de dépôt.
Avant la fixation, des étapes de traitement supplémentaires peuvent être ajoutées, telles qu'un polissage du côté de la couche piézoélectrique 600 et/ou du côté 608 du substrat de base 602 au niveau duquel la fixation va avoir lieu.
La fourniture d'une couche piézoélectrique 600 sur la couche de base 602 peut être réalisée en utilisant un processus de transfert de couche, par exemple un processus SmartCut™. Pendant un processus de transfert de couche, un substrat source comprenant la couche à transférer est fixé, de préférence par liaison, à un substrat de manipulation. Suite à un traitement thermique et/ou mécanique, une couche piézoélectrique 600 est détachée au niveau d'une zone de séparation prédéterminée et ainsi transférée sur le substrat de manipulation, ici le substrat de base 602.
Selon l'étape b), une structure de transducteur 610 est formée sur la couche piézoélectrique 600, en utilisant une combinaison d'étapes de dépôt de couches et de réalisation de structures. Comme il est possible de le voir sur la figure 2, la structure de transducteur 610 comprend deux électrodes en peigne interdigitées comprenant chacune une pluralité de moyens d'électrode 612 et 614 respectivement. Les électrodes en peigne interdigitées et leurs moyens d'électrode respectifs 612 et 614 sont formés d'un métal conducteur, par exemple de l’aluminium, un alliage d'aluminium ou du tungstène.
Le procédé comprend également une étape de formation d'un ensemble de réflecteurs 616, 618 et 620 sur la couche piézoélectrique 600, en utilisant une combinaison d'étapes de dépôt de couche et de réalisation de structures. Les réflecteurs 616, 618 et 620 comprennent habituellement une ou plusieurs bandes métalliques 622, par exemple en aluminium, et sont situés sur un côté de la structure de transducteur 610, ici sur le côté droit dans la direction de propagation x sur la figure 5. Ils sont positionnés à une distance prédéterminée de la structure de transducteur 610.
Le choix des couches, de leur matériau, de leur épaisseur et de leur orientation cristalline utilisés pour un dispositif d'étiquette SAW 624 est réalisé de façon à atteindre un coefficient de couplage électromécanique prédéterminé ks 2, un coefficient de température de fréquence prédéterminé CTF et une vitesse de propagation d'onde acoustique d'une onde de cisaillement acoustique se propageant dans la couche piézoélectrique 600.
Le procédé comprend également une étape de formation d'une antenne.
Comme mentionné ci-dessus, plus d'un dispositif d'étiquette SAW peut être fourni sur la couche piézoélectrique 600. Ils peuvent tous être fabriqués en même temps.
Pour obtenir le mode de réalisation selon la figure 5, le procédé comprend en outre une étape c) d'amincissement du substrat de base 602.
Selon une variante de l'invention, l'étape c) d'amincissement du substrat de base 602 comprend l'amincissement 626 de la surface 628 du substrat de base 602 opposée à la surface 608 où la couche piézoélectrique 600 est fixée au substrat de base 602 via la couche de SiO2 606 sur une région 630 définie par la dimension R, située entre la structure de transducteur 610 et les réflecteurs 616, 618 et 620. L'amincissement peut être obtenu par des techniques de gravure sèche telles que la gravure ionique réactive profonde (Deep Reactive Ion Etching), ou par un processus de gravure humide comme une gravure KOH ou TMAH, un meulage ou polissage Kiécano-chimique ou tout autre procédé mécanique. Un masque ou une couche de protection 632 peut être utilisé(e) sur le côté 628 du substrat de base 602, pour délimiter la région 630 de dimension R du substrat de base 602 à graver. Ce masque ou cette couche de protection 632 peut ensuite être retiré(e) après l'étape d'amincissement ou à la fin du processus de fabrication.
En résultat de l'amincissement, illustré sur la figure 6d, l'épaisseur t2 de la région amincie 636 du substrat de base 602 est inférieure à l'épaisseur f, du reste du substrat de base 602. L'étape d'amincissement 626 fournit une région 636 du substrat de base 602 étant déformable, comme l'épaisseur résultante t2 de la région 636 de dimension R du substrat de base 602 peut être suffisamment mince pour se déformer sous l'effet de vibrations, de pression ou de forces...
Comme représenté dans le dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface final 638 de la figure 6d, l'étape d'amincissement 626 de la surface 628 du substrat de base 602 peut avoir lieu sur une région 636 de dimension R de la surface 628 du substrat de base 602. Mais il peut en résulter une région 636 du substrat de base 602 de dimension Rn avec Ri étant plus petite ou plus grande que R, la dimension de la zone où a lieu l'étape d'amincissement 626, avec une épaisseur t2 inférieure à f,. Une région 636 du substrat de base 602 peut donc avoir une épaisseur qui varie entre ti et t2.
En variante, la région amincie 636 peut également être positionnée dans le substrat de base 602 entre deux réflecteurs, c'est-à-dire entre 308 et 310, éventuellement entre 618 et 620.
Sur la figure 6d, pour le dispositif d’étiquette à ondes acoustiques de surface final 638, l'épaisseur f, du substrat de base 602 à la périphérie est supérieure à l'épaisseur t2 au centre du substrat de base 602. Ainsi, la stabilité en température souhaitée pour effectuer des mesures indépendamment de l'influence de la température peut encore être réalisée, car le matériau restant du substrat de base 602 dans la région 636 impose le comportement en température.
Dans le cas de l'utilisation de plus d'un dispositif d'étiquette SAW sur le substrat composite 604, l'étape d'amincissement 626 de la surface 628 du substrat de base 602 peut avoir lieu sous chacun des dispositifs d'étiquette SAW agissant comme capteurs dans un dispositif de mesure de quantité physique, lorsque le dispositif de mesure de quantité physique comprend au moins deux dispositifs d'étiquette SAW, ou seulement certains d'entre eux.
La figure 7 illustre un schéma des étapes du procédé de fabrication d'un dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon un autre mode de réalisation de l'invention.
Le procédé est basé sur celui illustré sur la figure 6, mais un substrat de base en silicium sur isolant (SOI) 704 est utilisé à la place du substrat de base 602 pour le dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface. Ainsi, les étapes illustrées sur les figures 7a à 7d correspondent » aux étapes illustrées sur les figures 6a a 6d.
Le substrat composite 700 comprend une couche de matériau piézoélectrique 702 formée sur le dessus d'un substrat de base 704, le substrat de base 704 étant un substrat de silicium sur isolant (SOI). Un substrat de silicium sur isolant (SOI) correspond à un substrat silicium-isolant-silicium stratifié. La couche d’isolant 706 peut être une couche de SiO2. La couche d’isolant 706 est positionnée à une profondeur d à partir de la surface 708 du substrat de base 704.
Une mince couche de SiO2 710 de 100nm est prévue sur le dessus du substrat de base 704, au niveau de la surface 712, avant de fournir la couche piézoélectrique 702 pour améliorer la fixation. La couche de SiO2 peut être naturellement présente sur le substrat de base en silicium 704, ou peut être formée en utilisant des techniques de dépôt.
Lors de l'étape c) d'amincissement 626 du substrat de base 704, la couche d’isolant 706 peut avantageusement agir comme un arrêt de gravure, de sorte que l'épaisseur h du substrat de base gravé 704 dans la région 636 correspond à la profondeur de position d de la couche d’isolant 706 dans le substrat de base 704. La présence de la couche d’isolant 706 permet de contrôler et d'atteindre l'épaisseur de membrane souhaitée t2.
L'utilisation d'un tel substrat SOI comme substrat de base 704 permet un contrôle précis de l'épaisseur t2 d'une membrane gravée dans le côté arrière du substrat de silicium, pour le dispositif d'étiquette SAW final 718.
Selon l'invention, il est possible d’obtenir un substrat composite 604, 700 qui fournit un niveau prédéterminé de coefficient de couplage électromécanique ks 2 d'au moins 3% jusqu'à 20% et plus, une vitesse de propagation de l'ordre de 4000m/s jusqu'à 7000m/s, et une stabilité en température réglable comprise entre -50 et +5ppm/K. Pour de tels substrats composites, il est possible d’observer une augmentation d'environ deux jusqu'à environ cinq fois du coefficient de couplage électromécanique kf, et donc une augmentation de la distance d'interrogation à distance du dispositif en utilisant les modes d'onde de cisaillement selon l'invention plutôt que des dispositifs utilisant le mode de Rayleigh. En utilisant un tel substrat composite, la conception et la performance des dispositifs d'étiquette SAW ainsi que leurs domaines d'application peuvent être améliorés par comparaisons à substrats piézoélectriques massifs.
Un certain nombre de modes de réalisation de l’invention ont été décrits. Néanmoins, il est entendu que diverses modifications et améliorations peuvent être apportées sans s'écarter des revendications suivantes.
Claims (19)
- REVENDICATIONS *1. Dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface, comprenant un substrat de propagation d'onde acoustique (202, 324, 424, 502, 604, 700), au moins une structure de transducteur (204, 306, 308, 610) prévue au-dessus du substrat (202, 324, 424, 502, 604, 700) comprenant des électrodes en peine interdigitées (216, 218, 316, 318) et au moins un moyen réfléchissant, le moyen réfléchissant comprenant au moins un réflecteur (206, 208, 210, 308, 310, 312, 616, 618, 620), positionné à distance par rapport à la au moins une structure de transducteur (204, 306, 308, 610) dans la direction de propagation d'une onde acoustique, caractérisé en ce que le substrat de propagation d'onde acoustique (202, 324, 424, 502, 604, 700) est un substrat composite (202, 324, 424, 502, 604, 700) comprenant un substrat de base (226, 504, 602, 704) et une couche piézoélectrique (224, 506, 600, 702) ;dans lequel l'orientation cristallographique de la couche piézoélectrique (224, 506, 600, 702) par rapport au substrat de base (226, 504, 602, 704) est telle que la propagation d'une onde de cisaillement à l'intérieur de la couche piézoélectrique (224, 506, 600, 702) et dans la direction de propagation correspondant à l'onde acoustique est rendue possible.
- 2. Dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon la revendication 1, dans lequel la couche piézoélectrique (224, 506, 600, 702) est du tantalate de lithium LiTaO3 ou du niobate de lithium LiNbO3.
- 3. Dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon la revendication 2, dans lequel :la couche piézoélectrique (224, 506, 600, 702) est du niobate de lithium LiNbO3 et ; l'orientation cristallographique de la couche piézoélectrique (224, 506, 600, 702) par rapport au substrat de base (226, 506, 600, 704) est (ΥΧ/)/θ selon la norme IEEE 1949 Std-176, avec Θ, un angle d'orientation cristallographique, compris entre 0° et 100°, en particulier 0° et 50°, ou entre 140° et 180°, modulo 180°.
- 4. Dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon la revendication 2, dans lequel:la couche piézoélectrique (224, 506, 600, 702) est du tantalate de lithium LiTaO3 et ; l'orientation cristallographique de la couche piézoélectrique (224, 506, 600, 702) par rapport au substrat de base (226, 504, 602, 704) est (YX/)/0 selon la norme IEEE 1949Std-176 avec Θ, un angle de orientation cristallographique, compris entre -30° et 90°, en particulier entre 20° et 60°, plus particulièrement pour Θ de l'ordre de 36° ou de l'ordre de 42°, modulo 180°.
- 5. Dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le substrat de base (226, 504, 602, 704) du substrat composite (202, 324, 424, 502, 604, 700) est du silicium, du diamant, du saphir, du carbure de silicium, du quartz fondu ou du quartz.
- 6. Dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 5, dans lequel au moins une partie (514, 636) du substrat de base (226, 504, 602, 704) est déformable.
- 7. Dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 6, dans lequel le au moins un réflecteur (206, 208, 210, 308, 310, 312, 616, 618, 620) du moyen réfléchissant comprend une ou plusieurs bandes métalliques (212, 320, 622), lesdites bandes métalliques (212, 320, 622) étant reliées les unes aux autres ou reliées à la terre.
- 8. Dispositif de détermination de quantité physique comprenant deux ou plusieurs dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface (200, 302, 304, 402, 404, 638, 718), dont au moins un est selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
- 9. Dispositif de détermination de quantité physique selon la revendication 8, comprenant en outre une seule antenne d'étiquette (214, 322, 422) connectée aux structures de transducteur (204, 306, 406, 408, 610) des deux ou plusieurs dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface (200, 302, 304, 402, 404, 638, 718).
- 10. Dispositif de détermination de quantité physique selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, dans lequel l'un des dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface (200, 302, 304, 402, 404, 638, 718) est un résonateur à ondes acoustiques de surface (404) et au moins l'un des dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface (200, 302, 304, 402, 638, 718) est selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 7.
- 11. Dispositif de détermination de quantité physique selon la revendication 10, dans lequel le résonateur à ondes acoustiques de surface (404) est positionné par rapport au au moins un des dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface (200, 302, 304, 402, 404,638, 718) de sorte qu'ils ont deux directions différentes de propagation d'onde acoustique * de surface.
- 12. Dispositif de détermination de quantité physique selon l'une quelconque des revendications précédentes 10 ou 11, dans lequel le résonateur à ondes acoustiques de surface (404) est positionné par rapport au au moins un des dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface (200, 302, 304, 402, 638, 718) de sorte que sa direction de propagation d'onde acoustique de surface, étant parallèle à l'un des axes cristallins de la couche piézoélectrique (224, 506, 600, 702), forme un angle ψ avec la direction de propagation d'onde acoustique de surface du dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface (200, 302, 304, 402, 638, 718).
- 13. Dispositif de détermination de quantité physique selon l'une quelconque des revendications précédentes 10 à 12, dans lequel le résonateur à ondes acoustiques de surface (404) est configuré pour utiliser des ondes de Rayleigh, et le au moins un des dispositifs d'étiquette à ondes acoustiques de surface (200, 302, 304, 402, 638, 718) est configuré pour utiliser des ondes de cisaillement.
- 14. Dispositif de détermination de quantité physique selon l'une quelconque des revendications précédentes 8 à 13, configuré pour mesurer une température et/ou une pression et/ou des forces et/ou configuré pour permettre une identification.
- 15. Procédé de fabrication d'un dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface tel que décrit dans l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 7, comprenant les étapes consistant à :a) fournir une couche piézoélectrique sur un substrat de base ; etb) fournir une structure de transducteur sur la couche piézoélectrique ;dans lequel, à l'étape a), la couche piézoélectrique est prévue de sorte que l'orientation cristallographique de la couche piézoélectrique par rapport au substrat de base est telle que la propagation d'une onde de cisaillement correspondant à l'onde acoustique est rendue possible.
- 16. Procédé de fabrication d'un dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon la revendication 15, comprenant en outre une étape d'amincissement du substrat de base.
- 17. Procédé de fabrication d'un dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de sur-ace selon la revendication 16, dans lequel l'étape d'amincissement du substrat de base comprend l'amincissement d'une partie de la surface opposée à la surface où la couche piézoélectrique est fixée.
- 18. Procédé de fabrication d'un dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon la revendication 16, dans lequel l'étape d'amincissement du substrat de base comprend une gravure, un meulage ou un polissage mécano-chimique.10
- 19. Procédé de fabrication d'un dispositif d'étiquette à ondes acoustiques de surface selon l'une quelconque des revendications 16 à 18, dans lequel le substrat de base est un substrat semiconducteur sur isolant (SOI), de sorte que la couche d’isolant du substrat semi-conducteur sur isolant agit comme un arrêt de gravure pour l'étape d'amincissement du substrat de base.
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