FR3100405A1 - Capteur à ondes acoustiques différentiel - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif capteur à ondes acoustiques, comprenant un transducteur interdigité ; une première structure de réflexion agencée sur un premier côté du transducteur interdigité ; une deuxième structure de réflexion agencée sur un autre côté du transducteur interdigité ; une première cavité de résonance comprenant une première surface supérieure et formée entre le transducteur interdigité et la première structure de réflexion ; une deuxième cavité de résonance comprenant une deuxième surface supérieure et formée entre le transducteur interdigité et la deuxième structure de réflexion ; et dans lequel la deuxième surface supérieure comprend une modification physique et/ou chimique par rapport à la première surface supérieure. Figure pour l’abrégé : Figure 2

Description

Capteur à ondes acoustiques différentiel
La présente invention concerne des capteurs du type à ondes acoustiques et, en particulier, des capteurs à ondes acoustiques différentiels comportant des cavités de résonance.
Les capteurs sont d’une importance croissante et deviennent de plus en plus omniprésents dans la vie de tous les jours. Les systèmes micro-électromécaniques (MEMS) sont une option attrayante pour répondre à la demande de performances accrues des capteurs avec des tailles et des coûts réduits. Les capteurs à ondes acoustiques de surface (SAW), et dans une moindre mesure les capteurs à ondes acoustiques de volume (BAW) ou les capteurs acoustiques à onde de Lamb ou à ondes de Love, offrent des options particulièrement avantageuses en raison d'une grande variété de paramètres ambiants mesurables, notamment une température, une pression, une contrainte et un couple, par exemple.
Les capteurs à ondes acoustiques utilisent l'effet piézoélectrique pour convertir un signal électrique en une onde mécanique/acoustique. Les capteurs à base de SAW sont construits sur des matériaux piézoélectriques monocristallins tels que du quartz (SiO2), du niobate de lithium (LiNbO3), du tantalate de lithium (LiTaO3), du langasite (LGS) ou des matériaux piézoélectriques polycristallins comme du nitrure d'aluminium (AlN) ou de l’oxyde de zinc (ZnO), en particulier, déposés sur du silicium, ou même sur un matériau composite piézoélectrique-sur-isolant (POI) comprenant une couche de matériau piézoélectrique, en particulier, un matériau monocristallin, tel que, par exemple, du tantalate de lithium ou du niobate de lithium, liée à un substrat de support comme par exemple du silicium, si nécessaire au moyen d'une couche de liaison, comme par exemple une couche d'oxyde de silicium (en général, toute combinaison d'un matériau piézoélectrique monocristallin avec des substrats non piézoélectriques peut être utilisée du fait de leurs propriétés spécifiques comme les propriétés thermo-élastiques ou une qualité acoustique).
Un transducteur, dans le cas d'un capteur à ondes acoustiques de surface, un transducteur interdigité (IDT), convertit l'énergie électrique du signal électrique en énergie d’onde acoustique. L'onde acoustique se propage à travers la surface (ou le volume) d'un substrat de dispositif via ce que l’on nomme une ligne à retard jusqu'à un autre transducteur, en particulier, un IDT, qui reconvertit l'onde acoustique en un signal électrique pouvant être détecté. Dans certains dispositifs, des absorbeurs mécaniques et/ou des réflecteurs sont fournis afin d'éviter des motifs d'interférence et de réduire une perte d'insertion. Dans certains dispositifs, l'autre IDT (de sortie) est remplacé par un réflecteur qui réfléchit l'onde acoustique générée en arrière vers l'IDT (d'entrée) qui peut être couplé à une antenne pour une interrogation à distance du dispositif capteur. Avantageusement, les mesures peuvent être effectuées de manière complètement passive, c'est-à-dire que le capteur ne doit pas être alimenté par une source d'alimentation.
Une classe particulière de capteurs à ondes acoustiques comprend des résonateurs présentant des fréquences de résonance qui varient selon des conditions ambiantes variables. La figure 1 illustre un exemple de capteur à ondes acoustiques résonant. Le résonateur à ondes acoustiques de surface comprend un transducteur électroacoustique interdigité IDT avec des électrodes en peigne interdigitées C et C’ agencées entre des miroirs de Bragg M. Les électrodes en peigne sont établies à des potentiels opposés +V et –V, respectivement. La géométrie d’électrode est définie par le pas p, c'est-à-dire la fréquence de répétition spatiale des électrodes entrelacées C et C’ dans la direction de la propagation des ondes acoustiques de surface excitées, les longueurs des espaces entre les électrodes C et C’ dans la direction perpendiculaire à la direction de propagation des ondes acoustiques de surface excitées, les longueurs de la région d’ouverture acoustique données par les longueurs des électrodes C et C’ entre les intervalles et les largeurs a des électrodes C et C’ déterminant ce que l’on nomme le rapport de métallisation. L'IDT peut fonctionner dans des conditions de Bragg où la longueur d'onde λ de l'onde acoustique de surface excitée est égale à deux fois le pas p, par exemple.
À la fréquence de résonance, la condition de synchronisme entre les réflecteurs est satisfaite, en permettant ainsi d'obtenir une addition cohérente des différentes réflexions qui surviennent sous les réflecteurs. Un maximum d'énergie acoustique est ensuite observé dans la cavité de résonance et, d'un point de vue électrique, un maximum d'amplitude du courant admis par le transducteur est observé. En principe, les capteurs à ondes acoustiques différentiels peuvent comprendre deux résonateurs ou plus présentant des fréquences de résonance différentes ou un résonateur fonctionnant en multi-mode (plusieurs fréquences de résonance), où des différences dans les fréquences mesurées reflètent des variations dans les paramètres ambiants à mesurer (le mesurande), comme par exemple, une température ou une contrainte.
Cependant, malgré le processus d'ingénierie récent, l'ensemble du processus d'interrogation, dans lequel un dispositif d’interrogation transmet un signal radiofréquence approprié qui est reçu par le capteur à ondes acoustiques via une antenne de réception et converti par un transducteur en une onde acoustique de surface (ou une onde de volume, dans le cas de dispositifs du type capteur à ondes acoustiques de volume) qui est converti en un signal radiofréquence étant retransmis via une antenne de transmission et reçu et analysé par le dispositif d’interrogation, pose encore des problèmes techniques. Particulièrement, du bruit radiofréquence présent dans les bandes ISM (industrielles, scientifiques, médicales) couramment utilisées, par exemple, dans les bandes avec une fréquence centrale de 434MHz ou 2,45GHz, provoque des erreurs de lecture/interprétation affectant la qualité de la génération et de l'analyse de spectres de réponse fournis par les dispositifs capteurs.
Des mesures différentielles véritables basées sur une sensibilité différentielle appropriée des résonances du ou des résonateurs utilisés par rapport au mesurande doivent être observées avec précision afin d'obtenir des résultats de mesure fiables. Cela impose de fortes exigences en matière de tolérance des processus de production et de reproductibilité de propriétés physiques d’une plaquette à une autre. De plus, tout mouvement relatif entre le capteur et le dispositif d’interrogation peut fortement affecter les résultats de la mesure en raison de la liaison RF formée par le dispositif capteur et le dispositif d’interrogation de manière inductive ou capacitive. D'autres influences environnementales, telles que des changements de température, dans l'environnement de mesure, ont également une incidence sur la fiabilité des résultats de mesure.
Par conséquent, un but de la présente invention est de fournir un capteur à ondes acoustiques qui permet un rapport signal/bruit accru et des résultats de mesure plus fiables par rapport à des dispositifs capteurs à ondes acoustiques de la technique antérieure.
La présente invention permet d’atteindre le but mentionné ci-dessus en fournissant
un dispositif capteur à ondes acoustiques, comprenant
un transducteur interdigité (comprenant des électrodes en peigne) ;
une première structure de réflexion disposée sur un côté du transducteur interdigité ;
une deuxième structure de réflexion disposée sur un autre côté du transducteur interdigité ;
une première cavité de résonance comprenant une première surface supérieure et formée entre le transducteur interdigité et la première structure de réflexion ;
une deuxième cavité de résonance comprenant une première surface supérieure et formée entre le transducteur et la deuxième structure de réflexion ;
et dans lequel
la deuxième surface supérieure comprend une modification physique et/ou chimique par rapport à la première surface supérieure.
De plus, le dispositif capteur à ondes acoustiques peut comprendre un substrat comprenant une couche piézoélectrique et un substrat massif non piézoélectrique ou peut comprendre un substrat piézoélectrique (uniforme).
La modification physique et/ou chimique peut être appliquée à la totalité de la deuxième surface supérieure ou à une partie de celle-ci. En raison de la modification de la deuxième surface supérieure de la deuxième cavité de résonance, les caractéristiques de propagation d’ondes acoustiques générées par le transducteur interdigité diffèrent dans la deuxième cavité de résonance par rapport à celles de la première cavité de résonance. Ainsi, un dispositif capteur différentiel très fiable et sensible peut être fourni.
Sans modification, les première et deuxième surfaces supérieures sont des surfaces libres (exposées), en particulier des surfaces libres d'une couche piézoélectrique (voir description ci-dessous). La modification physique et/ou chimique peut être réalisée en formant une couche de matériau sur la deuxième surface supérieure uniquement ou une couche de matériau sur la deuxième surface supérieure et une autre couche de matériau (qui est constituée d’un matériau différent par rapport à la couche de matériau formée sur la deuxième surface supérieure) sur la première surface supérieure.
Selon un mode de réalisation, la modification physique et/ou chimique comprend une couche de métallisation formée sur la deuxième surface supérieure, dans lequel la couche de métallisation comprenant ou étant constitué, par exemple, d’au moins un parmi AlCu et Ti. Selon un autre mode de réalisation, la modification physique et/ou chimique comprend une couche de passivation formée sur la deuxième surface supérieure. La couche de passivation peut être constituée d'un certain matériau diélectrique et, par exemple, comprend ou est constituée d’un matériau de nitrure et/ou d’oxyde et peut en particulier comprendre ou être constituée d’au moins un parmi Si3N4, Al2O3, AlN, SiO2 et Ta2O5.
En variante ou en plus, la modification physique et/ou chimique peut comprendre un évidement de la deuxième surface supérieure par rapport à la première cavité de résonance (c'est-à-dire que la deuxième surface supérieure est positionnée plus bas que la première).
Selon des modes de réalisation supplémentaires, la première cavité de résonance comprend une autre modification physique et/ou chimique différente de celle de la deuxième cavité de résonance. La première surface supérieure peut être modifiée par la formation d’une couche de métallisation ou d’une couche de passivation sur la première surface supérieure. En particulier, la première surface supérieure peut être modifiée par la formation d’une couche de passivation sur la première surface supérieure et/ou la formation d’un évidement de la première surface supérieure. En particulier, la première surface supérieure peut être modifiée par la formation d’une couche de métallisation sur la première surface supérieure et/ou la formation d’un évidement de la première surface supérieure. Toutes les combinaisons des modifications indiquées ou d'autres des première et deuxième surfaces supérieures sont envisagées tant que les modifications des première et deuxième surfaces supérieures diffèrent les unes des autres afin de garantir des caractéristiques de résonance différentes des première et deuxième cavités de résonance, respectivement.
Dans tous les exemples décrits ci-dessus, la première structure de réflexion peut comprendre ou consister en un miroir de Bragg (comprenant des électrodes allongées disposées parallèlement les unes aux autres) et la deuxième structure de réflexion peut comprendre ou consister en un autre miroir de Bragg (comprenant d'autres électrodes allongées disposés parallèlement les uns aux autres). Ainsi, un dispositif capteur à ondes acoustiques de surface peut être réalisé facilement.
Selon un mode de réalisation en variante, dans tous les exemples décrits ci-dessus, la première structure de réflexion comprend ou consiste en une structure de réflexion de bord. Ainsi, un capteur utilisant des ondes de cisaillement pures peut être réalisé facilement. En particulier, ce mode de réalisation utilisant des ondes de cisaillement pures peut être utilisé pour détecter des paramètres ambiants dans des liquides.
De plus, des cavités de résonance en cascade peuvent être formées dans le dispositif capteur à ondes acoustiques selon l'un des modes de réalisation décrits ci-dessus afin de réduire le nombre de résonances pour arriver à des résultats de mesure uniques. Ainsi, le dispositif capteur à ondes acoustiques selon l'un des exemples décrits ci-dessus peut être configuré de sorte que la première cavité de résonance comprend des premières sous-cavités séparées les unes des autres par des premières sous-structures de réflexion de la première structure de réflexion, et la deuxième cavité de résonance comprend des deuxièmes sous-cavités de résonance séparées les unes des autres par des deuxièmes sous-structures de réflexion de la deuxième structure de réflexion. Chacune des sous-structures de réflexion peut être constituée d'électrodes allongées agencées parallèlement les unes aux autres.
Le dispositif capteur à ondes acoustiques selon l'un des exemples décrits ci-dessus peut être un dispositif POI et peut ainsi comprendre un substrat massif, en particulier un substrat massif en Si, une couche diélectrique, en particulier une couche de SiO2, formée sur le substrat massif, et une couche piézoélectrique, en particulier une couche de LiNbO3 ou de LiTaO3. Dans ce cas, le transducteur interdigité et les première et deuxième structures de réflexion sont formés sur la surface supérieure de la couche piézoélectrique et les première et deuxième cavités de résonance comprennent la couche piézoélectrique. La surface supérieure de la couche piézoélectrique est modifiée physiquement et/ou chimiquement dans la deuxième cavité de résonance par rapport à la première cavité de résonance.
Dans tous les modes de réalisation décrits ci-dessus, les longueurs d'extension (dans la direction de propagation des ondes acoustiques) de la première cavité de résonance et de la deuxième cavité de résonance peuvent différer l'une de l'autre afin de séparer plus clairement les réponses spectrales des résonances de la première cavité de résonance et de la deuxième cavité de résonance l'une de l'autre.
Selon des modes de réalisation particuliers, dans tous les exemples décrits ci-dessus, le transducteur interdigité peut être divisé en deux parties et le dispositif peut en outre comprendre une structure de réflexion supplémentaire positionnée entre les deux parties. Une telle configuration est avantageuse dans des situations de fonctionnement en ce sens que le coefficient de réflexion du transducteur n’est pas assez élevé pour permettre une séparation suffisamment nette entre les résonances des cavités.
En général, le dispositif capteur à ondes acoustiques selon l’un des exemples décrits ci-dessus peut être un dispositif capteur à ondes acoustiques de surface passif et/ou le paramètre ambiant est un parmi une température, une espèce chimique, une contrainte, une pression ou un couple d'un axe de rotation.
En outre, il est prévu un système pour surveiller/mesurer un paramètre ambiant, par exemple une température, un niveau de contrainte, une pression ou un niveau de couple d'un axe de rotation, une espèce chimique, etc., qui comprend un dispositif d'interrogation et un dispositif capteur à ondes acoustiques selon l’un des modes de réalisation décrits ci-dessus qui est couplé en communication avec le dispositif d'interrogation.
Le dispositif d'interrogation pour interroger un capteur à ondes acoustiques peut comprendre une antenne de transmission configurée pour transmettre un signal radiofréquence d'interrogation au dispositif capteur à ondes acoustiques, une antenne de réception configurée pour recevoir un signal radiofréquence de réponse en provenance du capteur à ondes acoustiques qui peut également comporter une antenne d'émission/réception et un moyen de traitement pour traiter/analyser le signal radiofréquence de réponse afin de déterminer un paramètre ambiant qui doit être capté.
Des caractéristiques et avantages supplémentaires de la présente invention vont être décrits en référence aux dessins. Dans la description, il est fait référence aux figures annexées destinées à illustrer des modes de réalisation préférés de l'invention. Il est entendu que de tels modes de réalisation ne représentent pas toute la portée de l'invention.
illustre un exemple de capteur à ondes acoustiques de surface selon la technique antérieure.
représente un schéma de principe illustrant une caractéristique essentielle sous la forme d'une cavité de résonance modifiée d'un mode de réalisation d'un dispositif capteur à ondes acoustiques selon la présente invention.
représente une illustration de l'effet de la formation d’une couche de métallisation sur l’une de deux cavités de résonance d’un dispositif capteur à ondes acoustiques selon un mode de réalisation.
représente une autre illustration de l'effet de la formation d’une couche de métallisation sur l’une de deux cavités de résonance d’un dispositif capteur à ondes acoustiques selon le mode de réalisation.
représente une illustration de différences des coefficients de température de vitesse obtenus par métallisation de l’une de deux cavités de résonance d’un dispositif capteur à ondes acoustiques selon un mode de réalisation.
représente une autre illustration de différences des coefficients de température de vitesse obtenus par métallisation de l’une de deux cavités de résonance d’un dispositif capteur à ondes acoustiques selon le mode de réalisation.
représente une illustration de différences des coefficients de température de vitesse obtenus par métallisation ou évidement d’une couche piézoélectrique de l’une de deux cavités de résonance d’un dispositif capteur à ondes acoustiques selon un mode de réalisation.
représente une autre illustration de différences des coefficients de température de vitesse obtenus par métallisation ou évidement d’une couche piézoélectrique de l’une de deux cavités de résonance d’un dispositif capteur à ondes acoustiques selon le mode de réalisation.
représente des illustrations de modes de réalisation d’un dispositif capteur à ondes acoustiques de l’invention.
représente des illustrations de modes de réalisation supplémentaire d’un dispositif capteur à ondes acoustiques de l’invention.
représente une illustration d’un mode de réalisation d’un dispositif capteur à ondes acoustiques de l’invention comprenant des structures de réflexion latérales.
représente une illustration d’un mode de réalisation d’un dispositif capteur à ondes acoustiques de l’invention comprenant des structures de réflexion en cascade.
représente une illustration d’une configuration de cavités de résonance en cascade d’un dispositif capteur à ondes acoustiques dans lequel le transducteur ne fonctionne pas dans la condition de Bragg selon un mode de réalisation de la présente invention.
représente une illustration d’une autre configuration de cavités de résonance en cascade d’un dispositif capteur à ondes acoustiques dans lequel le transducteur ne fonctionne pas dans la condition de Bragg.
La présente invention fournit des capteurs à ondes acoustiques, en particulier des capteurs SAW passifs, qui sont caractérisés par un rapport signal/bruit, une sensibilité et une fiabilité élevés. En ce qui concerne des mesures de température, par exemple, la sensibilité de fréquence de résonance pouvant être obtenue permet une sensibilité de mesure supérieure à 1ppm par Kelvin. Les capteurs à ondes acoustiques peuvent être interrogés par de quelconques dispositifs d’interrogation qui sont configurés pour déterminer un spectre de réponse en provenance d'un capteur à ondes acoustiques interrogé. Le capteur à ondes acoustiques interrogé peut par exemple être un dispositif résonateur, par exemple, un capteur SAW différentiel. Il va sans dire que l'invention peut être mise en œuvre dans tout dispositif utilisant des capteurs à ondes acoustiques ou des résonateurs diélectriques, des circuits RLC, etc.
Le dispositif d'interrogation interrogeant l'un des dispositifs capteurs à ondes acoustiques de l'invention peut comprendre une antenne de transmission pour transmettre un signal radiofréquence d'interrogation vers le dispositif capteur et une antenne de réception pour recevoir un signal radiofréquence de réponse en provenance du dispositif capteur. Le signal radiofréquence d'interrogation transmis par l'antenne de transmission peut être généré par un générateur de signal qui peut comprendre un synthétiseur ou oscillateur radiofréquence ainsi qu’éventuellement un certain module de mise en forme de signal fournissant une transposition en fréquence et/ou une amplification appropriée du signal à transmettre par l’antenne de transmission. Le signal radiofréquence d'interrogation généré par le générateur de signal peut être un signal pulsé ou en rafale avec une fréquence sélectionnée selon la fréquence de résonance du dispositif capteur à ondes acoustiques.
En outre, le dispositif d'interrogation peut comprendre un moyen de traitement connecté à l'antenne de réception. Le moyen de traitement peut comprendre un moyen de filtrage et/ou d’amplification et être configuré pour analyser le signal radiofréquence de réponse reçu par l’antenne de réception. Par exemple, le dispositif capteur fonctionne à une fréquence de résonance de 434MHz ou de 866MHz ou de 915MHz ou de 2,45GHz (lesdites bandes ISM).
Le dispositif d'interrogation peut transmettre une longue impulsion radiofréquence et après l'arrêt de la transmission, les cavités de résonance se déchargent à leurs propres fréquences de résonance avec des constantes de temps τ égales à Qf/πF, où F est la fréquence centrale et Qf est le facteur de qualité de la résonance, Qf correspondant au rapport entre la fréquence de résonance centrale et la largeur à la moitié du maximum de la bande passante utilisée dans le processus d'interrogation. L'analyse spectrale effectuée par le moyen de traitement du dispositif d'interrogation permet de calculer la ou les fréquences de résonateur et, ainsi, le captage d’un paramètre ambiant. Le signal radiofréquence de réponse reçu peut être mélangé par le moyen de traitement avec un signal radiofréquence d'interrogation selon le protocole dit I-Q tel qu'il est connu dans la technique pour extraire les parties réelle et imaginaire (composantes en phase I = Y cos φ et composantes en quadrature Q = Y sin φ avec l’amplitude de signal Y et la phase φ) à partir desquelles le module et la phase peuvent ensuite être déduits.
La figure 2 illustre un exemple d’un mode de réalisation d’un dispositif capteur à ondes acoustiques de surface de l’invention. Le dispositif capteur SAW 10 représenté sur la figure 2 comprend un transducteur T interdigité (un peigne) connecté à une antenne (non représentée sur la figure 2) pour recevoir une onde électromagnétique E1 et convertir l'onde électromagnétique E1 en une onde acoustique de surface S1. Le transducteur en peigne T comprend des électrodes interdigitées telles que décrites en référence à la figure 1, par exemple. Deux cavités de résonance SAW R1 et R2 avec des extensions (espaces) g1 et g2, respectivement, sont prévues entre le transducteur en peigne T et des miroirs de Bragg M1 et M2, respectivement. Il est à noter qu'ici et dans ce qui suit, un dispositif capteur comprenant un transducteur et deux cavités de résonance est décrit, mais que plus d’un transducteur et plus de deux cavités de résonance peuvent également être prévus.
Le dispositif capteur peut comprendre un capteur à base de SAW construit sur des matériaux piézoélectriques monocristallins comme du quartz (SiO2), du niobate de lithium (LiNbO3), du tantalate de lithium (LiTaO3), du langasite (LGS) ou des matériaux piézoélectriques polycristallins comme du nitrure d'aluminium (AlN) ou de l’oxyde de zinc (ZnO), en particulier, déposés sur du silicium ou même sur un matériau composite piézoélectrique-sur-isolant (POI) comprenant une couche de matériau piézoélectrique, en particulier, un matériau monocristallin, comme par exemple du tantalate de lithium ou du niobate de lithium, liée à un substrat de support comme par exemple du silicium, si nécessaire au moyen d'une couche de liaison, comme par exemple une couche d'oxyde de silicium. Le transducteur T convertit le signal radiofréquence d'interrogation E1 reçu par l'antenne en une onde acoustique de surface S1 qui est réfléchie par les miroirs de Bragg M1 et M2 des cavités de résonance R1 et R2 et reconvertie en un signal radiofréquence qui est bien sûr transmis par l'antenne (ou une autre antenne) en tant que signal radiofréquence de réponse. Le capteur à ondes acoustiques de surface 10 (ainsi que les dispositifs décrits ci-dessous en référence à une autre des figures) peut fonctionner dans des conditions de Bragg avec des longueurs d'onde des ondes acoustiques de surface excitées de quelques multiples des pas des électrodes en peigne du transducteur en peigne T. Lorsque le fonctionnement est effectué dans les conditions de Bragg, le transducteur en peigne T lui-même fonctionne essentiellement comme un miroir (avec une réflectivité d’au moins 80%), en séparant ainsi de manière définitive les cavités de résonance R1 et R2 l’une de l’autre.
Selon l'invention, les cavités de résonance fournies R1 et R2 diffèrent l'une de l'autre en ce que l'une d'entre elles (R2 dans l'exemple présenté sur la figure 2) présente une certaine modification physique et/ou chimique ρ par rapport à l'autre. Par la modification physique et/ou chimique ρ, différentes conditions de propagation et donc différentes caractéristiques de résonance sont fournies dans les différentes cavités de résonance R1 et R2. Des résonances multiples selon des cavités de résonance multiples R1 et R2, et ainsi des effets différentiels en comparant des résonances caractérisant chacune des cavités de résonance multiples R1 et R2 surviennent ainsi.
Il existe une variété de moyens pour fournir la modification physique et/ou chimique ρ afin d'obtenir des modes d’ondes de propagation qui présentent des sensibilités paramétriques différentielles. Ces moyens incluent par exemple la réalisation de la modification physique et/ou chimique ρ par la formation d'une couche de métallisation et/ou d'une couche de passivation.
Un effet de la modification physique et/ou chimique ρ de l'une des cavités de résonance R1 et R2 est illustré sur la figure 3. La modification physique et/ou chimique ρ est réalisée en formant une couche de métallisation de 100nm d'épaisseur sur la région de la cavité de résonance R2 ; aucune couche de métallisation n'est formée sur la cavité de résonance R1. De manière détaillée, une couche de métallisation d’AlCu est formée sur la région de la cavité de résonance R2, l’AlCu étant également utilisé pour la formation du transducteur en peigne T et des électrodes des miroirs de Bragg M1 et M2, et sont utilisés une couche de LiTaO3 (XY)/42° d’une épaisseur de 600nm sur une couche de SiO2 d’une épaisseur de 500nm sur du Si (100), un transducteur en peigne à 125 paires de doigts, des miroirs à 60 électrodes et une ouverture acoustique de 70µm se transformant en 42 longueurs d’onde λ des ondes acoustiques de surface excitées. Le coefficient de réflexion S11 obtenu est illustré sur le côté gauche de la figure 3 et l'impédance obtenue est illustrée sur le côté droit de la figure 3. Modifier l'épaisseur de la couche de métallisation ou la longueur de l'une des cavités permet d'identifier clairement les modes qui appartiennent à la cavité de résonance métallisée R2 et les modes qui appartiennent à celle non métallisée R1.
En particulier, la figure 3 montre ce qui se passe lorsque, par exemple, la longueur de la cavité R2 est modifiée de 100 à 80µm. Il est possible de voir que seuls des pics liés à des résonances établies dans la cavité R2 sont affectés par ce changement. En fait, lorsque les deux cavités présentent la même longueur, seule la signature en trait continu est prédite car les résonances des cavités R1 et R2 se superposent et contribuent ainsi au coefficient de réflexion S11 ou à la réponse en impédance Z11 du résonateur à des fréquences identiques (par exemple les plus marquées à 2,35, 2,37 et 2,39GHz). Changer la longueur d'une cavité signifie modifier localement les propriétés de propagation des ondes et simule donc réellement le principe de fonctionnement du capteur. Il s'avère que lorsque la longueur de cavité est réduite, les résonances de mode mentionnées ci-dessus se divisent en deux contributions (la ligne pointillée) avec la préservation de celles initiales correspondant aux résonances de la cavité R1 et l'apparition d'un second ensemble de résonances liées à la cavité R2. La quasi-indépendance des deux ensembles de résonances démontre le fonctionnement réel de l'invention.
Les coefficients de température de vitesse associés des surfaces métallisées et les surfaces libres des cavités de résonance diffèrent les uns des autres comme illustré sur la figure 4. Pour une fréquence de fonctionnement d’environ 2,45GHz, une différence détectable d’environ 10ppm par Kelvin peut être obtenue (voir le côté gauche de la figure 4). La dépendance de la différence des coefficients de température de vitesse par rapport à l’épaisseur de la couche de métallisation est illustrée sur le côté droit de la figure 4.
Lorsque le même matériau est utilisé pour la métallisation et la formation du transducteur en peigne T et des électrodes des miroirs de Bragg M1 et M2, tous ces éléments peuvent être déposés dans le même processus de dépôt. Dans d'autres modes de réalisation, un matériau différent est utilisé pour la métallisation. Dans d'autres modes de réalisation, une couche de métallisation ou couche de passivation d'un premier matériau est formée sur la première cavité de résonance R1 et une autre couche de métallisation ou couche de passivation d'un autre matériau est formée sur la deuxième cavité de résonance R2. Par exemple, un matériau à décalage de température positif, par exemple, SiO2 ou Ta2O5, est formé sur l'une des cavités de résonance et un matériau à décalage de température négatif, par exemple, Si3N4 ou AlN, est formé sur l'autre des cavités de résonance.
Selon un mode de réalisation en variante, la modification physique et/ou chimique ρ peut être obtenue en évidant une couche piézoélectrique de l’une des deux cavités de résonance. La figure 5 illustre de manière comparative les effets d'une passivation de l'une des cavités de résonance par un revêtement de SiO2 jusqu'à une épaisseur de 250nm (côté gauche) et par un évidement de la couche piézoélectrique de l'une des cavités de résonance de 600nm à 350nm (côté droit), respectivement, sur le coefficient de température de vitesse. De nouveau, sont utilisés (ou servent au départ) une couche de LiTaO3 (XY)/42° d’une épaisseur de 600nm sur une couche de SiO2 d’une épaisseur de 500nm sur du Si (100), un transducteur en peigne à 125 paires de doigts, des miroirs à 60 électrodes et une ouverture acoustique de 70µm. Dans le cas d’une passivation par une couche de SiO2, une différence détectable des coefficients de vitesse de température d'environ 10ppm par Kelvin peut être obtenue, tandis que dans le cas de l’évidement de la couche piézoélectrique, une différence détectable des coefficients de vitesse de température d'environ 14ppm par Kelvin peut être obtenue, les deux pour une fréquence de fonctionnement d’environ 2450MHz.
En outre, selon différents modes de réalisation, différentes modifications physiques et/ou chimiques ρ peuvent être effectuées pour la première cavité de résonance R1 et la deuxième cavité de résonance R2. De plus, les longueurs d'extension des cavités de résonance R1 et R2 peuvent différer l'une de l'autre afin de séparer plus clairement les réponses spectrales des résonances de chaque côté du transducteur en peigne. La figure 6 illustre une variété d’exemples de modes de réalisation dans des vues en coupe transversale. Dans tous les modes de réalisation représentés sur la figure 6a, un substrat massif en silicium (100) est prévu pour le dispositif capteur et une couche de SiO2 est formée sur le substrat massif en silicium (100) et une couche de LiTaO3 est formée sur la couche de SiO2, par exemple. Il va sans dire que d'autres matériaux appropriés peuvent être utilisés.
Dans la rangée supérieure de la figure 6, un mode de réalisation est illustré, dans lequel la cavité de résonance du côté gauche est métallisée alors que la cavité de résonance du côté droit n'est pas métallisée, mais a une extension plus grande que celle du côté gauche. Dans la deuxième rangée à partir du haut, un mode de réalisation est illustré, dans lequel la cavité de résonance du côté gauche est passivée alors que la cavité de résonance du côté droit n'est pas passivée, mais a une extension plus grande que celle du côté gauche. Une passivation peut être réalisée en formant une couche de passivation constituée de ou comprenant Si3N4, Al2O3 ou AlN. Dans la troisième rangée à partir du haut, un mode de réalisation est illustré, dans lequel la cavité de résonance du côté gauche est évidée (gravée) alors que la cavité de résonance du côté droit n'est pas évidée ni traitée d’une autre manière, mais a une extension plus grande que celle du côté gauche. Dans la rangée du bas, un mode de réalisation est illustré, dans lequel la cavité de résonance du côté gauche est passivée alors que la cavité de résonance du côté droit n'est pas passivée, mais a une extension plus grande que celle du côté gauche. A la différence du mode de réalisation représentée sur la deuxième rangée à partir du haut de la figure 6a, une couche de passivation n’est pas formée uniquement sur la cavité de résonance du côté gauche, mais également sur le transducteur en peigne et les miroirs de Bragg. Par exemple, la couche de passivation peut être formée initialement sur la totalité de la structure, puis retirée de la région de la cavité de résonance du côté droit. Dans tous les modes de réalisation représentés sur la figure 6, les cavités de résonance du côté gauche et du côté droit présentent des sensibilités différentes aux mesurandes en raison des caractéristiques de résonance différentes fournies, et permettent ainsi des mesures différentielles.
Selon d'autres modes de réalisation, des couches de matériau peuvent être formées sur les deux cavités de résonance. De plus, des couches de matériau formées sur une ou plusieurs des cavités de résonance peuvent avoir des épaisseurs non homogènes le long de la direction de propagation des ondes acoustiques. En outre, des couches multiples peuvent être formées sur une ou plusieurs des cavités de résonance. Dans ce contexte, il convient de noter qu'en général, la fourniture d'une couche de matériau sur une cavité de résonance peut avoir pour résultat une réduction de la vitesse de phase d'ondes acoustiques du fait d’effets de charge massique, en particulier, si des couches d'un matériau d'un numéro atomique élevé, comme Pt, Au ou W, sont utilisées. Cet effet peut être compensé en ajoutant une couche présentant une vitesse acoustique relativement élevée, par exemple AlN, Si3N4, Al2O3.
La figure 7 illustre un mode de réalisation dans lequel une cavité de résonance de côté gauche est métallisée et une cavité de résonance de côté droit est passivée (rangée du haut de la figure 7) et un mode de réalisation dans lequel une cavité de résonance de côté gauche est recouverte d'un multicouche, par exemple une couche de métal formée sur une couche diélectrique, et une cavité de résonance de côté droit est évidée (rangée du bas de la figure 7).
Il convient également de noter que la passivation, la structure évidée ou la métallisation ou toute combinaison de telles modifications de surface peut comprendre ou consister en un certain réseau, en particulier des réseaux périodiques fonctionnant hors de la condition de Bragg de l'onde émise par l’IDT (c'est-à-dire des réseaux non réfléchissants). De plus, la modification de surface peut être partiellement appliquée à la cavité concernée.
Dans tous les modes de réalisation décrits ci-dessus, des miroirs de Bragg sont prévus afin de former les cavités de résonance. Cependant, selon des modes de réalisation en variante, les miroirs de Bragg peuvent être remplacés par des structures de réflexion latérales/de bord pour un guidage dans des modes de cisaillement pur. Ainsi, des configurations très compactes peuvent être obtenues en ce sens que la réflexion de Bragg est remplacée par une réflexion de surface plane sans une quelconque perte d'énergie ou conversion de mode. Des configurations avec des structures de réflexion latérales/de bord pour un guidage dans des modes de cisaillement pur sont particulièrement utiles pour détecter des paramètres ambiants dans des liquides. Des ondes de cisaillement conviennent parfaitement pour un sondage dans un liquide. En particulier, des modes hautement couplés (> 5 %) associés à des matériaux à k élevée (avec une constante diélectrique k supérieure à 30, par exemple) sont attrayants pour les applications dans un liquide.
Un exemple de mode de réalisation utilisant des structures de réflexion latérales plutôt que des miroirs de Bragg est représenté sur la figure 8. Un IDT est formé sur une pile comportant une couche de SiO2 qui est formée sur le substrat massif en silicium (100) et une couche de LiTaO3 est formée sur la couche de SiO2. Des cavités de résonance de différentes extensions sont prévues à gauche et à droite de l'IDT. Les extensions peuvent être des multiples entiers de la longueur d'onde des ondes acoustiques excitées. La cavité de résonance du côté gauche est métallisée et la cavité de résonance du côté droit est passivée. Le dispositif capteur comprend des structures de réflexion latérales/de bord, c’est-à-dire des évidements avec une profondeur t au niveau des bords s’étendant dans le substrat massif en Si, pour générer des résonances. La profondeur des évidements t (ou l'épaisseur des bords) doit être supérieure à une longueur d'onde des ondes acoustiques excitées, en particulier supérieure à 5.
Dans tous les modes de réalisation décrits ci-dessus comprenant des miroirs de Bragg, des cavités de résonance simples sont utilisées. Cependant, tous ces modes de réalisation peuvent utiliser des cavités de résonance en cascade comprenant des structures à électrodes miroirs multiples. Un exemple de mode de réalisation utilisant des cavités de résonance en cascade est représenté sur la figure 9. Dans ce mode de réalisation, des structures à trois électrodes miroirs séparées par des espaces g1 et g2, ayant pour résultats des sous-cavités de résonance, sont prévues de chaque côté de l'IDT. Différentes largeurs des cavités g1 et g2 peuvent avoir pour résultat une limitation du nombre de 50 résonances appariées à seulement deux, ce qui diffère de plus de deux résonances qui surviennent dans les modes de réalisation décrits précédemment. La distance entre les deux résonances ainsi que le coefficient de couplage des résonances peuvent être commandés par le nombre de structures à électrodes miroirs et de sous-cavités de résonance.
Dans le cas de l’utilisation de cavités de résonance en cascade, il est possible d’utiliser un transducteur qui ne fonctionne pas dans la condition de Bragg. Par exemple, le transducteur peut présenter trois ou quatre doigts par longueur d'onde ou même cind doigts pour deux longueurs d'onde, et en général toutes les structures appropriées permettant d'exciter des ondes à un synchronisme donné sans réflexion d'onde sur les électrodes d’IDT.
Deux exemples de configurations possibles à cet égard sont illustrés sur les figures 10 et 11. Selon une première configuration (voir figure 10), des miroirs plus petits sont agencés à proximité du transducteur et des miroirs plus grands séparés par des distances g1 et g2, respectivement, des miroirs plus petits sont également prévus pour garantir des résonances dans les cavités de résonance. La figure 11 illustre une configuration dans laquelle, du côté gauche, aucune condition de Bragg n'est remplie pour le fonctionnement du transducteur. Une ou plusieurs des cavités de résonance peuvent être modifiées physiquement et/ou chimiquement comme décrit ci-dessus. Il convient de noter que dans les exemples représentés sur les figures 10 et 11, certaines résonances supplémentaires sont établies dans la région d’IDT elle-même, c'est-à-dire que l'IDT fonctionne comme une cavité supplémentaire qui pourrait potentiellement être utilisée pour compléter les mesures.
Selon des modes de réalisation supplémentaires, le capteur à ondes acoustiques peut être utilisé pour une détection chimique. Dans ce cas, sur une première des cavités de résonance est formée une couche de matériau qui présente une activité chimique particulière vis-à-vis d’une certaine espèce chimique qui doit être détectée, tandis que l'autre des cavités de résonance reste exempte d'une telle couche de matériau ou est recouverte d’une couche de matériau sans cette activité chimique particulière. À l'exception de la sensibilité à l’espèce chimique, les deux cavités de résonance doivent présenter la même sensibilité à des paramètres ambiants tels que, par exemple, la température ou les propriétés de charge en eau. L'activité chimique peut avoir pour résultat un dépôt spécifique de matériau de l'espèce chimique et, par conséquent, des effets de charge en masse ou élastique qui, bien sûr, modifient la fréquence de résonance de la cavité de résonance. Un exemple est une absorption d’hydrogène par une couche constituée de ou comportant du palladium.
En outre, il convient de noter qu’est envisagée ici une situation de fonctionnement telle que le coefficient de réflexion du transducteur T n’est pas assez élevé pour permettre une séparation suffisamment nette entre les résonances des cavités. Dans ce cas, (par exemple dans tous les exemples décrits ci-dessus), l’IDT peut être divisé en deux parties avec un réflecteur supplémentaire prévu au milieu de deux parties afin d’améliorer la séparation des résonances des cavités. Cela sera particulièrement utile pour des ondes de Rayleigh ou plus généralement polarisées de manière elliptique sur des substrats monocristallins en quartz, langasite, et tantalate de lithium et des substrats composites comprenant des couches de GaN, AlN et ZnO du fait que les modes correspondants présentent généralement un facteur de couplage inférieur à 1% et un coefficient de réflexion sur une électrode unique inférieur à 5%, typiquement inférieur à 3% et même inférieur ou égal à 1%. Dans une certaine mesure, le coefficient de réflexion est lié au facteur de couplage car il est généralement composé d’une partie mécanique (effet de charge élastique et de masse) et d’une partie électrique (effet de charge électrique).
Pour des configurations POI utilisant des couches de LiTaO3 avec un couplage électromécanique supérieur à 5%, il peut être démontré par calcul que le coefficient de réflexion est supérieur à 5% et peut atteindre 10% ou même plus (15% mesurés, > 20% après calcul en considérant un métal avec un numéro atomique élevé). Pour le quartz, il peut être démontré que l’ajout d’un miroir central à l’intérieur du transducteur permet d’obtenir la séparation des deux modes de cavité. Cette considération est particulièrement vraie pour des électrodes à base d'AlCu. L'utilisation d'électrodes à numéro atomique élevé, comme par exemple le molybdène, l'or, le platine ou le tungstène, peut permettre des coefficients de réflexion importants (en particulier pour des monocristaux, et non pour des substrats stratifiés à base d'AIN ou de GaN). Il est également intéressant, dans une telle configuration, d'utiliser des transducteurs unidirectionnels à phase unique (SPUDT), afin de favoriser l'émission des ondes dans une direction donnée, à nouveau afin de faciliter la séparation entre les résonances des cavités.
Par exemple, pour les ondes de Rayleigh sur du niobate de lithium, en particulier sur la coupe LiNbO3 (YXl)/128°, le facteur de couplage est supérieur à 5%, mais les parties électriques et mécaniques du coefficient de réflexion présentent un signe opposé en mode court-circuit (le mode utilisé pour exciter et détecter les ondes élastiques), en donnant ainsi un coefficient de réflexion modéré pour une métallisation habituelle (métallisation relative h/λ entre 1 et 5%), en particulier pour des dispositifs fonctionnant près de 2,45GHz. En outre, l'utilisation d'une telle combinaison de matériau et de mode produit des transducteurs relativement courts répondant à la condition de 50Ω.
Par exemple, un transducteur à 15 paires d'électrodes présente ladite condition à sa fréquence de synchronisme. Avec un coefficient de réflexion limité par électrode (c’est-à-dire < 5%, ou même 3% ou même moins), une telle longueur peut ne pas être suffisante pour fournir un coefficient de réflexion global supérieur à 50%, et de préférence supérieur à 80%. En conséquence, il est également possible ici de diviser le transducteur en deux parties et d’insérer un réseau réfléchissant entre lesdites deux parties afin d’améliorer la séparation des cavités. En particulier, il est intéressant d’utiliser un réseau de miroirs fonctionnant en mode de circuit ouvert, ce qui signifie que chaque électrode est isolée électriquement, en satisfaisant ainsi la condition de charge neutre globale. Selon cette condition, le signe des parties mécanique et électrique du coefficient de réflexion est similaire et l'effet de réflexion résultant est deux fois ou trois fois plus important que pour la condition de court-circuit. Comme dans le cas d'autres monocristaux, l'utilisation d’effets de SPUDT peut être utile pour améliorer le fonctionnement du dispositif. L’effet de SPUDT sera obtenu en introduisant un espace entre le transducteur et le réflecteur à réseau de miroirs en circuit ouvert. Cette considération est particulièrement vraie pour des électrodes à base d'AlCu.
Tous les modes de réalisation décrits précédemment ne sont pas destinés à être limitatifs, mais servent d'exemples illustrant des caractéristiques et des avantages de l'invention. Il faut comprendre que certaines ou la totalités des caractéristiques décrites ci-dessus peuvent également être combinées de différentes manières.

Claims (15)

  1. Dispositif capteur à ondes acoustiques, comprenant

    un transducteur interdigité ;

    une première structure de réflexion agencée sur un premier côté du transducteur interdigité ;

    une deuxième structure de réflexion agencée sur un autre côté du transducteur interdigité ;

    une première cavité de résonance comprenant une première surface supérieure et formée entre le transducteur interdigité et la première structure de réflexion ;

    une deuxième cavité de résonance comprenant une deuxième surface supérieure et formée entre le transducteur interdigité et la deuxième structure de réflexion ;

    et dans lequel

    la deuxième surface supérieure comprend une modification physique et/ou chimique par rapportrapport à la première surface supérieure.
  2. Dispositif capteur à ondes acoustiques selon la revendication 1, dans lequel la modification physique et/ou chimique comprend une couche de métallisation formée sur la deuxième surface supérieure.
  3. Dispositif capteur à ondes acoustiques selon la revendication 1, dans lequel la couche de métallisation comprend ou consiste en au moins un parmi AlCu et Ti.
  4. Dispositif capteur à ondes acoustiques selon la revendication 1, dans lequel la modification physique et/ou chimique comprend une couche de passivation formée sur la deuxième surface supérieure, dans lequel la couche de passivation, en particulier, comprend ou est constituée d’au moins un parmi Si3N4, Al2O3, AlN, Ta2O5 et SiO2.
  5. Dispositif capteur à ondes acoustiques selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la modification physique et/ou chimique comprend un évidement de la deuxième surface supérieure.
  6. Dispositif capteur à ondes acoustiques selon la revendication 2 ou 3, dans lequel la première surface supérieure est modifiée par la formation d’une couche de passivation sur la première surface supérieure et/ou la formation d’un évidement de la première surface supérieure.
  7. Dispositif capteur à ondes acoustiques selon la revendication 4, dans lequel la première surface supérieure est modifiée par la formation d’une couche de métallisation sur la première surface supérieure et/ou la formation d’un évidement de la première surface supérieure.
  8. Dispositif capteur à ondes acoustiques selon la revendication 5, dans lequel la première surface supérieure est modifiée par la formation d’une couche de métallisation ou d’une couche de passivation sur la première surface supérieure.
  9. Dispositif capteur à ondes acoustiques selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première structure de réflexion comprend ou consiste en un miroir de Bragg, et la deuxième structure de réflexion comprend ou consiste en un autre miroir de Bragg.
  10. Dispositif capteur à ondes acoustiques selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la première structure de réflexion comprend ou consiste en une structure de réflexion de bord.
  11. Dispositif capteur à ondes acoustiques selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première cavité de résonance comprend des premières sous-cavités de résonance séparées les unes des autres par des premières sous-structures de réflexion de la première structure de réflexion, et la deuxième cavité de résonance comprend des deuxièmes sous-cavités de résonance séparées les unes des autres par des deuxièmes sous-structures de réflexion de la deuxième structure de réflexion.
  12. Dispositif capteur à ondes acoustiques selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre

    un substrat massifmassif, en particulier un substrat massifmassif en Si ;

    une couche diélectrique, en particulier une couche deSiO2, formée sur le substrat massifmassif ; et

    une couche piézoélectrique, en particulier une couche de LiNbO3 ou LiTaO3,

    et dans lequel

    le transducteur interdigité et les premières et deuxième structures de réflexion sont formée sur la couche piézoélectrique, et les premières et deuxième cavités de résonance comprennent la couche piézoélectrique.
  13. Dispositif capteur à ondes acoustiques selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les longueurs d'extension de la première cavité de résonance et de la deuxième cavité de résonance diffèrent l'une de l'autre.
  14. Dispositif capteur à ondes acoustiques selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le transducteur interdigité est divisé en deux parties, et comprenant en outre une structure de réflexion supplémentaire positionnée entre les deux parties.
  15. Dispositif capteur à ondes acoustiques selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif capteur à ondes acoustiques est un dispositif capteur à ondes acoustiques de surface passif et/ou le paramètre ambiant est un parmi une température, une espèce chimique, une contrainte, une pression ou un couple d'un axe de rotation.
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