Résonateurs et composants radiofréquences à ondes élastiques issues de l’hybridation entre ondes de surface et de volume

Publié le : 12 mars 2020

Les composants à ondes élastiques de surface ou de volume sont actuellement des éléments clef des circuits d’émission/réception utilisés par la téléphonie mobile. Ils permettent en effet la miniaturisation des filtres assurant le traitement analogique des signaux radiofréquences, en vertu du fait qu’à fréquences égales, les longueurs d’ondes des ondes élastiques sont près de 100 000 fois plus petites que les longueurs d’ondes électromagnétiques. Avec la multiplication des bandes de fréquences utilisées simultanément par un unique téléphone, les spécifications de ces filtres deviennent de plus en plus drastiques, ce qui motive la recherche de nouveaux types de composants, basés sur de nouveaux modes de propagation des ondes élastiques pouvant être exploités. Traditionnellement, les composants utilisent des ondes élastiques dites de volume (BAW – pour bulk acoustic wave), ou de surface (SAW – pour surface acoustic wave), se propageant dans l’épaisseur ou à la surface d’une structure en matériau piézoélectrique, afin de coupler ces ondes élastiques au circuit électrique de traitement du signal. Ces dernières années, un nouveau mode de propagation, appelé « hybride SAW/BAW » a été proposé et permet, en principe, de combiner les avantages de ces deux types d’ondes. Il consiste en un mode excité par un réseau périodique d’éléments piézoélectriques disposés à la surface d’un substrat massif. Si des premières réalisations ont été proposées, les caractéristiques de ce mode restent encore relativement peu connues.

Ce sujet de thèse porte donc sur l’étude des possibilités offertes par ce type de modes. En premier lieu, les propriétés de ce type d’ondes sont très fortement liées à la combinaison du matériau piézoélectrique employé et de la nature du substrat de propagation, à leurs orientations crystallines respectives, ainsi qu’aux dimensions géométriques des éléments piézoélectriques permettant l’excitation ou la détection de ces ondes. Le candidat cherchera donc à explorer l’espace de conception afin d’éprouver les possibilités de ce nouveau type d’ondes et d’optimiser leur conception en vue d’applications de filtrage radiofréquence ou de bases de temps, idéalement à des fréquences supérieures à 3 GHz. Il pourra pour cela s’appuyer sur les modèles de simulation disponibles au CEA-LETI et ceux mis au point par la société FrecNSys.

Une seconde partie des travaux de thèse envisagés portent sur l’analyse plus fondamentale des possibilités ouvertes par ces modes de propagation particuliers, issus du couplage entre une onde élastique de surface et un réseau périodique d’éléments électriquement actifs. En effet, ce type de structures entre dans le champ plus général des métamatériaux élastiques, structures souvent périodiques présentant des effets de propagation inédits tels que l’obtention de fréquences interdites, de ralentissement des ondes, de confinement acoustique, d’unidirectionalité de la propagation, voire même d’amplification progressive. Les conditions d’obtention de tels phénomènes pourront être explorées, de même que leur exploitation dans des systèmes de capteurs ou dans des composants de traitement du signal. Le doctorant pourra pour cela s’appuyer sur l’expertise sur les métamatériaux acoustiques apportée par le département d’acoustique de l’ISEN.

Enfin, dans une partie plus expérimentale, le doctorant pourra évaluer en pratique ses dimensionnements en participant aux développements et à la fabrication de composants « hybrides SAW/BAW » qui seront réalisés dans les salles blanches du CEA-LETI, ce qui lui permettra de conforter la faisabilité pratique de ces structures.

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