La présente invention concerne les transducteurs électroacoustiques à base de matériaux piézoélectriques tels le niobate de lithium et le tantalate de lithium, et leurs associations en des composants radioélectriques tels que des lignes à retard, des filtres, et des résonateurs fonctionnant dans des bandes de fréquences élevées.

Un transducteur à ondes acoustiques comprend classiquement deux peignes d'électrodes, entrelacés et reliés à une source électrique apte à fonctionner en émetteur et en récepteur électrique, et un substrat piézoélectrique monocristallin pour engendrer des ondes acoustiques.

Les matériaux piézoélectriques monocristallins formant le substrat les plus utilisés sont les matériaux piézoélectriques monocristallins tels que le quartz, le Niobate de Lithium (LiNb0 ₃ ), le tantalate de lithium (LiTa0 ₃ ) dans lesquels les champs mécaniques et électriques sont couplés par des interactions ayant lieu à l'échelle atomique.

Lorsque le matériau est conditionné sous la forme d'un bloc solide, les ondes qui se propagent à l'intérieur sont des ondes élastiques de volume (dénommées en anglais BAW pour Bulk Acoustic Waves) qui en fonction de leur direction de polarisation par rapport à la direction de propagation sont appelées ondes longitudinales ou ondes de cisaillement.

Les ondes longitudinales ou de polarisation longitudinale sont les ondes pour lesquelles la direction de déformation du solide est colinéaire à la direction de propagation de l'onde élastique.

Les ondes de cisaillement ou de polarisation transversale sont les ondes pour lesquelles la direction de déformation du solide est perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde élastique.

De manière connue, il existe également plusieurs types d'ondes de surface SAW qui peuvent se propager le long de la surface sur lesquelles sont déposés les deux peignes d'électrodes entrelacés. Ces ondes de surface SAW possèdent une vélocité inférieure à celles des ondes de volume élastiques BAW, et parmi elles peuvent être distinguées l'onde de Rayleigh et les ondes de cisaillement de surface (ou ondes de Blaustein-Gulyaev selon la dénomination de l'homme de l'art).

L'onde de Rayleigh est par définition une onde purement elliptique se propageant en surface du matériau isotrope du substrat. Elle constitue un mode de la surface et à ce titre s'avère guidée en surface sans pertes liées à un quelconque effet de rayonnement. Elle s'atténue très vite selon la profondeur du substrat à raison de deux longueurs d'onde λ d'épaisseur de peau mais présente une distribution de déplacements inhomogène. Par extension et abus de langage, toute onde à polarisation majoritairement elliptique est désignée sous l'appellation d'onde de Rayleigh. Il s'agit en fait d'une onde de polarisation complexe mais majoritairement elliptique, obtenue par combinaison d'une composante longitudinale (colinéaire à la direction de propagation) et d'une composante normale à la surface en quadrature de phase avec la composante précédente. Elle peut ainsi se propager en l'absence de pertes visco-élastiques sur des distances non limitées.

L'onde de cisaillement pur n'est pas en général un mode de surface, même pour un matériau anisotrope, dans la mesure où elle ne permet pas de satisfaire les conditions aux limites homogènes de contrainte nulle en surface de propagation et particulièrement en surface libre de métallisation. Il s'agit d'une onde scalaire d'un point de vue mécanique et du potentiel électrique associé. Cette onde de cisaillement pur est polarisée de façon normale au plan sagittal défini par la direction de propagation de l'onde et la normale à la surface du substrat. Cette onde présente en un point situé à proximité de la surface du cristal une seule composante mécanique normale au plan sagittal avec une distribution spatiale fonction des coordonnées sagittales du point.

Toutefois, cette onde de cisaillement pur peut constituer un mode de surface pour certains matériaux piézoélectriques à propriétés piézoélectriques idoines comme dans le cas des ondes de cisaillement sur oxyde de zinc ou PZT orienté YX et, de façon générale, sur les matériaux de classe cristalline 6mm (voir par exemple D. Royer, E. Dieulesaint, "Elastic waves in solids", Springer-Verlag Ed., 2000)

Pour le quartz, il existe des orientations cristallines pour lesquelles une onde de cisaillement pur peut satisfaire les conditions de propagation en surface métallisée et court-circuitée mais pas les conditions de surface libre, la nature de l'onde se transformant alors en une pseudo-onde de surface en passant d'une condition à l'autre, comme pour une onde se propageant sous un réseau d'électrodes infiniment fines, donc sans masse.

Toutefois, il est bien connu de l'homme de l'art qu'une telle onde de cisaillement pur ne peut être guidée qu'en présence d'un réseau périodique en surface de propagation, par exemple des électrodes massives ou des sillons gravés, ralentissant la propagation des ondes et permettant ainsi de satisfaire les conditions aux limites.

Pour le tantalate et le niobate de lithium, la situation est encore bien plus originale dans la mesure où le point de branchement correspondant à l'onde dite rampante (Surface Skimming Bulk Wave en anglais, ou SSBW) précède d'un point de vue spectral l'existence d'une onde de cisaillement majoritaire, quasiment pure, partiellement guidée par la surface et appelée PSAW pour pseudo-SAW ou Leaky SAW. Il est connu d'exploiter la propagation d'ondes de cisaillement quasiment pur dans des coupes YX à simple rotation de niobate de lithium ayant des angles de coupe Θ compris entre -25 degrés et 60 degrés pour réaliser des filtres SAW à faibles pertes et à bande passante élargie.

Pour de telle coupes de niobate de lithium, il est également connu d'optimiser seulement l'épaisseur relative de métallisation h/λ, c'est-à-dire le rapport entre l'épaisseur des électrodes et la longueur d'onde acoustique λ, afin de diminuer la perturbation causée par l'onde de Rayleigh parasite, la valeur optimale de l'épaisseur relative de métallisation étant fonction de l'angle de coupe du cristal piézoélectrique et de la nature du métal des électrodes.

L'article de N. Naumenko et B. Abbott intitulé « Optimal eut of lithium niobate with suppressed Rayleigh-type mode for application in resonator SAW filters », IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings, pp. 1013-1017, 2008, décrit et analyse l'effet de suppression de la contribution de l'onde de Rayleigh pour les coupes de niobate de lithium à simple rotation (ΥΧ/)/θ avec 0 degré< Θ <30 degrés.

L'article décrit l'évolution de la contribution de l'onde de Rayleigh, en tant que mode parasite, en fonction de l'angle de coupe Θ et d'une épaisseur normalisée de métallisation d'électrode notée h/λ.

Dans cet article, l'épaisseur normalisée de métallisation d'électrode h/Λ est le rapport des grandeurs h et λ dans lequel λ désigne la longueur d'onde acoustique de surface SAW et h désigne l'épaisseur correspondant à des électrodes en aluminium dont la largeur a est égale à la moitié de la période mécanique p du réseau d'électrodes. L'angle de coupe Θ varie entre 0 degré et 30 degrés et l'épaisseur normalisée de métallisation d'électrode notée h/Λ varie entre 0 et 1 .

Pour les coupes (YXI)/15° et (YXI)/19°, l'article décrit selon deux courbes correspondantes l'évolution respective de la contribution de l'onde de Rayleigh en tant que mode parasite en fonction du taux de métallisation a/p, défini comme le rapport entre la largeur a des électrodes et la période mécanique du réseau p. Pour chacune des deux courbes, l'évolution est supposée avoir lieu pour une épaisseur normalisée de métallisation d'électrode optimale fixe, indépendante de la variation du taux de métallisation et égale à l'épaisseur optimale lorsque le taux de métallisation est égal à 0,5.

Un premier problème technique est d'élargir la gamme des transducteurs à ondes de surface dans lesquels les effets des ondes de surface considérées comme parasites sont minimisés.

Un deuxième problème technique est d'améliorer la maîtrise de la diminution des contributions des ondes parasites, voire d'annuler de manière fiable ces contributions. A cet effet l'invention a pour objet un transducteur à ondes élastiques de surface (SAW), destiné à fonctionner à une longueur d'onde acoustique prédéterminée λ et comprenant

une plaque de substrat ayant une largeur w, une longueur I et une épaisseur t, en un matériau piézoélectrique, coupée selon trois plans de coupe définis par un premier angle φ, un deuxième angle Θ, et un troisième angle ψ définis par la nomenclature (ΥΧννΙί)/φ/θ/ψ du standard IEEE Std-176 (révision 1949), et ayant une face de support de normale la direction de l'épaisseur apte à recevoir des électrodes, et

un réseau d'électrodes métalliques d'épaisseur h et de largeur a aptes à être reliées mécaniquement et électriquement à une source électrique, disposé sur la face de support et comportant un premier peigne d'électrodes rangées selon une première direction et un deuxième peigne d'électrodes rangées selon une deuxième direction, le premier peigne et le deuxième peigne étant agencés de sorte que les électrodes du premier peigne et deuxième peigne soient entrelacées alternativement deux à deux suivant un pas périodique p de réseau et selon une direction de propagation d'ondes élastiques de surface le long de la face de support, le double du pas de réseau 2p étant égal sensiblement à la longueur d'onde acoustique λ;

caractérisé en ce que

la coupe de la plaque de substrat est une coupe à simple rotation définie par les orientations cristallines (ΥΧι ι//ί)/0 ^ο ±5°/θ/0 ^ο ±5° au sens de la norme IEEE Std-176 avec Θ compris entre -90° et +90° ou les orientations cristallines (YXi i//f)/60 ^o ±5 ^o /0 ^o ±5 ^o /0 ^o ±5°, la coupe définie par les orientations cristallines (YXi i//f)/60 °±5 ^o /0 ^o ±5 ^o /0 ^o ±5° étant identique par rotation tensorielle à la coupe à simple rotation définie par les orientations cristallines (YXw/f)/0 ^o ±5 ^o /0/0 ^o ±5°, choisie tel que,

les ondes élastiques de surface se propageant le long de la face de support lorsque le transducteur est excité idéalement avec une face de support libre du réseau d'électrodes présentent une onde de surface prédominante et une onde de surface résiduelle, l'onde de surface prédominante étant soit une onde de Rayleigh soit une onde de cisaillement partiellement guidée, l'onde résiduelle étant une onde de cisaillement partiellement guidée lorsque l'onde prédominante est une onde de Rayleigh, l'onde résiduelle étant une onde de Rayleigh lorsque l'onde prédominante est une onde de cisaillement partiellement guidée, et

l'épaisseur relative de métallisation h/λ, c'est-à-dire le rapport entre l'épaisseur des électrodes et la longueur d'onde acoustique λ, et le taux de métallisation a/p, c'est-à-dire le rapport entre la largeur a des électrodes et la période mécanique du réseau p, ont été déterminés en même temps pour annuler la contribution de l'onde résiduelle, lorsque le taux de metallisation est différent à 5% près de 0,5 et que le matériau de la plaque de substrat est différent d'une coupe de niobate de lithium d'angle Θ compris entre +10 degrés et +25 degrés.

Suivant des modes particuliers de réalisation, le transducteur comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

- le taux de métallisation et l'épaisseur de métallisation dépendent du matériau constituant la plaque de substrat et de la coupe choisie, et

le matériau cristallin piézoélectrique du substrat est un matériau compris dans l'ensemble formé par le niobate de lithium (LiNb0 ₃ ) ou le tantalate de lithium (LITa0 ₃ ) , la langasite et ses variantes ;

- le taux de métallisation a/p et l'épaisseur relative de métallisation h/λ dépendent du matériau métallique constituant les électrodes métalliques,

et le matériau métallique est un métal ou un alliage d'un plusieurs métaux compris dans l'ensemble formé par l'aluminium, le cuivre, le platine, le tungstène et le molybdène ;

- la coupe de la plaque de substrat est une coupe à simple rotation définie par les orientations cristallines (ΥΧι ι//ί)/0 ^ο ±5 ^ο /θ/0 ^ο ±5°, et

l'angle de coupe Θ correspond à une configuration dans laquelle, l'onde de surface prédominante est une onde de onde de cisaillement partiellement guidée ;

- le matériau de la plaque de substrat est du niobate de lithium (LiNb0 ₃ ) et l'angle de coupe Θ est compris entre -5 degrés et 90 degrés, ou

le matériau de la plaque de substrat est du tantalate de lithium (LiTa0 ₃ ) et l'angle de coupe Θ est compris entre -5 degrés et 90 degrés ;

- la coupe de la plaque de substrat est une coupe à simple rotation définie par les orientations cristallines (ΥΧι ι//ί)/0 ^ο ±5 ^ο /θ/0 ^ο ±5°, et

l'angle de coupe Θ correspond à une configuration dans laquelle, l'onde de surface prédominante est une onde de Rayleigh ;

- le matériau de la plaque de substrat est du niobate de lithium (LiNb0 ₃ ) et l'angle de coupe Θ est compris entre -69 degrés et -20 degrés ; et

- la coupe de la plaque de substrat est une coupe à simple rotation définie par les orientations cristallines (YXi i//f)/60°±5 ^o /0 ^o ±5 ^o /0 ^o ±5° et correspond à une configuration dans laquelle l'onde de surface prédominante est une onde de Rayleigh.

L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un transducteur à ondes élastiques de surface (SAW), destiné à fonctionner à une longueur acoustique prédéterminée λ comprenant les étapes consistant à ce que :

dans une étape est fournie une plaque de substrat est fournie ayant une largeur w, une longueur I et une épaisseur t, en un matériau piézoélectrique, coupée selon trois plans de coupe définis par un premier angle φ, un deuxième angle Θ, et un troisième angle ψ définis par la nomenclature (ΥΧννΙί)/φ/θ/ψ du standard IEEE Std-176 (révision 1949), et ayant une face de support de normale la direction de l'épaisseur apte à recevoir des électrodes,

dans une étape suivante est fourni un réseau d'électrodes métalliques d'épaisseur h et de largeur a aptes à être reliées mécaniquement et électriquement à une source électrique, comportant un premier peigne d'électrodes rangées selon une première direction et un deuxième peigne d'électrodes rangées selon une deuxième direction, dans une étape suivante le réseau d'électrodes métalliques est disposé et fixé sur la face de support en agençant le premier peigne et le deuxième peigne de sorte que les électrodes du premier peigne et du deuxième peigne soient entrelacées alternativement deux à deux suivant un pas périodique p de réseau et selon une direction de propagation d'ondes élastiques de surface le long de la face de support, le double du pas de réseau 2p étant égal sensiblement à la longueur d'onde acoustique λ;

caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes consistant à ce que dans une étape de choix précédant l'étape de fourniture de la plaque de substrat, le matériau du substrat est choisi dans la famille des matériaux formée par le niobate de lithium (LiNb0 ₃ ) ou le tantalate de lithium (LITa0 ₃ ), la langasite et ses variantes, et la coupe de la plaque de substrat est choisie comme une coupe à simple rotation définie par les orientations cristallines (ΥΧι ι//ί)/0 ^ο ±5°/θ/0 ^ο ±5° au sens de la norme IEEE Std-176 avec Θ compris entre -90 ° et +90° ou les orientations cristallines (YXi i//f)/60 ^o ±5 ^o /0 ^o ±5 ^o /0 ^o ±5° et choisie tel que, les ondes élastiques de surface se propageant le long de la face de support lorsque le transducteur est excité idéalement avec une face de support libre du réseau d'électrodes présentent une onde de surface prédominante et une onde de surface résiduelle, l'onde de surface prédominante étant soit une onde de Rayleigh soit une onde de cisaillement partiellement guidée, l'onde résiduelle étant une onde de cisaillement partiellement guidée lorsque l'onde prédominante est une onde de Rayleigh, l'onde résiduelle étant une onde de Rayleigh lorsque l'onde prédominante est une onde de cisaillement partiellement guidée, et

dans une étape interposée entre l'étape de choix et l'étape de fourniture de la plaque de substrat, l'épaisseur relative de métallisation h/λ, c'est-à-dire le rapport entre l'épaisseur des électrodes et la longueur d'onde acoustique λ, et le taux de métallisation a/p, c'est-à-dire le rapport entre la largeur a des électrodes et la période mécanique du réseau p, sont déterminés en même temps pour annuler la contribution de l'onde résiduelle, lorsque le taux de métallisation est différent à 5% près de 0,5 et que le matériau de la plaque de support est différent d'une coupe de niobate de lithium d'angle Θ compris entre 10 degrés et 25 degrés.

Suivant des modes particuliers de réalisation, le transducteur comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

- la détermination conjointe et simultanée du taux de métallisation et de l'épaisseur de métallisation des électrodes mise en œuvre dans l'étape interposée dépend du matériau métallique constituant les électrodes métalliques,

et le matériau métallique est un métal ou un alliage d'un plusieurs métaux compris dans l'ensemble formé par l'aluminium, le cuivre, le platine, le tungstène l'or, le chrome, le titane et le molybdène, ainsi que les métaux dopés tels que l'aluminium dopé au cuivre, au silicium ou au titane.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'une forme de réalisation qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur lesquels :

- la Figure 1 est une vue en perspective d'un transducteur à ondes élastiques selon l'invention,

- la Figure 2 est une vue d'une coupe sagittale longitudinale du transducteur de la figure 1 selon le plan de coupe ll-ll,

- la Figure 3 est une vue de l'évolution des vitesses de phase et du couplage électromécanique en fonction de l'angle Θ pour des ondes de Rayleigh se propageant à la surface du substrat du transducteur des Figures 1 et 2 lorsque le substrat est une coupe à simple rotation (YXi i//f)/0 ^o ±5 ^o /e/0 ^o ±5° de niobate de lithium ;

- la Figure 4 est une vue de l'évolution des vitesses de phase et du couplage électromécanique en fonction de l'angle Θ pour des ondes de cisaillement pur se propageant à la surface du substrat du transducteur des Figures 1 et 2 lorsque le substrat est une coupe à simple rotation (YXi i //)/0 ^o ±5°/9/0 ^o ±5° de niobate de lithium ;

- la Figure 5 est une vue de l'évolution des vitesses de phase et des pertes de propagation en fonction de l'angle Θ pour des ondes de cisaillement pur se propageant à la surface du substrat du transducteur des Figures 1 et 2 lorsque le substrat est une coupe à simple rotation (YXi i//f)/0 ^o ±5 ^o /e/0 ^o ±5° de niobate de lithium ;

- la Figure 6 est une vue de l'évolution des vitesses de phase et du couplage électromécanique en fonction de l'angle Θ pour des ondes de Rayleigh se propageant à la surface du substrat du transducteur des Figures 1 et 2 lorsque le substrat est une coupe à simple rotation (YXi i//f)/0 ^o ±5 ^o /e/0 ^o ±5° de tantalate de lithium ;

- la Figure 7 est une vue de l'évolution des vitesses de phase et du couplage électromécanique en fonction de l'angle Θ pour des ondes de cisaillement pur se propageant à la surface du substrat du transducteur des Figures 1 et 2 lorsque le substrat est une coupe à simple rotation (YXi i //)/0 ^o ±5°/9/0 ^o ±5° de tantalate de lithium ;

- la Figure 8 est une vue de de l'évolution des vitesses de phase et des pertes de propagation en fonction de l'angle Θ pour des ondes de cisaillement pur se propageant à la surface du substrat du transducteur des Figures 1 et 2 lorsque le substrat est une coupe à simple rotation (YXi i//f)/0 ^o ±5 ^o /e/0 ^o ±5° de tantale de lithium ;

- la Figure 9 est une vue de l'ensemble des points de configurations d'un transducteur des Figures 1 et 2 pour lesquels la composante parasité formée par des ondes de Rayleigh s'annule, l'onde utile étant une onde de cisaillement pur, le substrat du transducteur étant une coupe à simple rotation (YXi i///)/60 ^o /0 °/0° de niobate de lithium et les électrodes étant en aluminium ;

- la Figure 10 est une vue de l'ensemble des points de configurations d'un transducteur des Figures 1 et 2 pour lesquels la composante parasité formée par des ondes de Rayleigh s'annule, l'onde utile étant une onde de cisaillement pur, le substrat du transducteur étant une coupe à simple rotation (YXi i///)/60 ^o /0 °/0° de niobate de lithium et les électrodes étant en cuivre ;

- la Figure 1 1 est une vue de l'ensemble des points de configurations d'un transducteur des Figures 1 et 2 pour lesquels la composante parasité formée par des ondes de Rayleigh s'annule, l'onde utile étant une onde de cisaillement pur, le substrat du transducteur étant une coupe à simple rotation (YXi i///)/60 ^o /0 °/0° de niobate de lithium et les électrodes étant en tungstène ;

- la Figure 12 est un ordinogramme d'un procédé de fabrication d'un transducteur à ondes de surface du type de celui décrit dans les Figures 1 et 2.

Suivant la Figure 1 , un transducteur électro-acoustique 2 à ondes acoustiques de surface (SAW), destiné à fonctionner à une longueur d'onde acoustique prédéterminée λ, est connecté à une source électrique 4 qui est configurée pour fonctionner par exemple comme une source d'excitation électrique.

En variante, la source électrique 4 est configurée pour fonctionner comme un récepteur électrique ou à la fois comme une source d'excitation électrique et un récepteur électrique. Le transducteur électro-acoustique 2 comprend une plaque de substrat 6 piézoélectrique et un réseau d'électrodes 8.

La plaque de substrat 6 de forme parallélépipédique a une largeur w, une longueur I et une épaisseur t.

Elle est réalisée en un matériau piézoélectrique et coupée selon trois plans de coupe définis par un premier angle φ, un deuxième angle Θ, et un troisième angle ψ définis par la nomenclature (ΥΧννΙί)/φ/θ/ψ du standard IEEE Std-176 (révision 1949). La plaque de substrat 6 comporte une face de support 10 qui a pour normale la direction de l'épaisseur t et qui est apte à recevoir le réseau d'électrodes 8.

Le réseau d'électrodes 8 comprend des électrodes métalliques 12, 14, 16, 18, 20, 22 présentant chacune une épaisseur h, une largeur a et une longueur L.

Le rapport de la longueur L de chaque électrode sur longueur d'onde des ondes élastiques de surface est supérieur ou égal à 10.

Le réseau 8 d'électrodes 12, 14, 16, 18, 20, 22 est relié mécaniquement et électriquement à la source électrique 4, et fixé sur la face de support 10.

Suivant les Figures 1 et 2, le réseau d'électrodes 8 comporte un premier peigne 32 d'électrodes rangées selon une première direction orientée, ici les trois électrodes désignées par 12, 16, 20, et un deuxième peigne 34 d'électrodes rangées selon une deuxième direction opposée à la première direction, ici les trois électrodes désignées par 14, 18, 22.

Le premier peigne 32 et le deuxième peigne 34 sont agencés de sorte que les électrodes 12, 16, 20 du premier peigne 32 et les électrodes 14, 18, 22 du deuxième peigne soient entrelacées alternativement deux à deux suivant un pas périodique p de réseau et selon une direction de propagation d'ondes acoustiques de surface le long de la face de support, représentée par la direction d'un axe x1 allant de gauche à droite sur les

Figures 1 et 2, et colinéaire à la direction de la longueur I de la plaque piézoélectrique 6.

L'axe x1 forme le premier axe d'un repère 36 qui comprend en outre un point d'origine, désigné par O, un deuxième axe x2 et un troisième axe x3.

L'origine O est le point de la face de support situé immédiatement sous l'arête gauche de la première électrode 12 à demi-longueur de la première électrode 12, la gauche de l'arête correspondant à la gauche des Figures 1 et 2.

Le troisième axe x3 est l'axe passant par O orienté selon la normale de la face de support et définit avec le premier axe x1 le plan sagittal de la Figure 2, c'est-à-dire le plan de coupe ll-ll de la Figure 1 .

Le deuxième axe x2 est l'axe du repère 36 qui rend direct le trièdre (x1 , x2, x3).

Traversant le point O, il est représenté de bout sur la Figure 2 en fuyant vers l'arrière.

Suivant les Figures 1 et 2, le double du pas de réseau, c'est-à-dire 2p, est sensiblement égal à la longueur d'onde acoustique λ des ondes acoustiques de surface.

La coupe de la plaque de substrat est une coupe à simple rotation définie par les orientations cristallines (ΥΧι ι//ί)/0 ^ο ±5°/θ/0 ^ο ±5° au sens de la norme IEEE Std-176 avec Θ compris entre -90° et +90 °ou par les orientations cristallines (YXi i//f)/60 ^o ±5 ^o /0 ^o ±5 ^o /0 ^o ±5°.

En fonction de la nature du matériau cristallin piézoélectrique, les orientations cristallines de la coupe sont choisies de sorte que les ondes élastiques de surface se propageant le long de la face de support lorsque le transducteur est excité idéalement avec une face de support libre du réseau d'électrodes présentent une onde de surface prédominante et une onde de surface résiduelle.

L'onde de surface prédominante est soit une onde de Rayleigh, soit une onde de cisaillement partiellement guidée.

L'onde résiduelle est une onde de cisaillement partiellement guidée lorsque l'onde prédominante est une onde de Rayleigh.

L'onde résiduelle est une onde de Rayleigh lorsque l'onde prédominante est une onde de cisaillement partiellement guidée.

L'épaisseur relative de métallisation h/λ, c'est-à-dire le rapport entre l'épaisseur des électrodes et la longueur d'onde acoustique λ, et le taux de métallisation a/p, c'est-à- dire le rapport entre la largeur a des électrodes et la période mécanique du réseau p, ont été déterminés en même temps pour annuler la contribution de l'onde résiduelle.

Le matériau piézoélectrique cristallin de la plaque de substrat 6 est de préférence un matériau compris dans l'ensemble formé par le niobate de lithium (LiNb0 ₃ ), le tantale de lithium (LiTa0 ₃ ), la langasite et des variantes.

Dans les cas d'intérêt déterminés ci-dessus pour des applications micro-ondes, l'onde élastique de surface majoritaire est guidée le long de la surface du substrat avec son amplitude décroissant de manière exponentielle en fonction de la profondeur. L'onde de surface SAW est confinée fortement avec typiquement 90% de son énergie se propagent dans une tranche d'une longueur d'onde acoustique à partir de la surface.

L'onde de surface en train de se propager est accompagnée d'un champ électrique localisé à la surface.

Cela permet à l'onde de surface d'être créée lorsqu'une tension électrique différentielle sinusoïdale est appliquée au réseau d'électrodes 8 agencées sous la forme de deux peignes d'électrodes métalliques entrelacées deux à deux.

De manière symétrique, cela permet au réseau d'électrodes 8 de capter un champ électrique oscillant lorsqu'une onde élastique de surface se propage à la surface du réseau en dessous du substrat.

Ainsi, l'optimisation du couplage électromécanique et l'annulation des pertes pour l'onde majoritairement couplée sont obtenues ainsi que l'élimination simultanée des modes indésirables.

Suivant les Figures 3, 4 et 5, dans le cas où le matériau de la plaque de substrat est du niobate de lithium et où une coupe à simple rotation définie par les orientations cristallines (ΥΧι ι//ί)/0 ^ο ±5°/θ/0 ^ο ±5° au sens de la norme IEEE Std-176 est choisie, l'évolution de paramètres caractéristiques des phénomènes de propagation en surface du cristal est représenté en fonction de la variation de l'angle Θ, avec Θ variant entre -90 degrés et +90 degrés.

Les Figures 3, 4 et 5 permettent aux travers des différentes courbes représentées de mieux comprendre les mécanismes de propagation observés et d'essayer d'identifier leur origine.

Les courbes présentées sont fondées sur une analyse des modes et pseudomodes naturels d'ondes de surface se propageant le long d'une surface du substrat libre d'obstacles, c'est-à-dire dépourvue d'un réseau d'électrodes. L'analyse correspondante est particulièrement décrite dans l'article de Y. Fusero, S. Ballandras, J. Desbois, J.M. Hodé, P. Ventura intitulé "SSBW-to-PSAW conversion in SAW devices using heavy mechanical loading", IEEE Trans. on UFFC, Vol. 49, n °6, pp. 805-814, 2002.

Ces courbes permettent d'établir des zones angulaires en termes d'angle Θ pour lesquelles les modes assimilés à l'onde de Rayleigh (polarisation elliptique) prédominent et d'autres pour lesquelles le pseudo-mode de cisaillement prend le pas sur le précédent.

II est rappelé que par pseudo-mode, on entend un mode dont une des composantes fuit vers le cœur du matériau, l'analyse étant réalisée ici dans le cas d'un milieu semi-infini.

Suivant la Figure 3, une première courbe 102, une deuxième courbe 104, représentent respectivement l'évolution en fonction de l'angle Θ d'une première vitesse de phase et d'une deuxième vitesse de phase pour des ondes de Rayleigh se propageant à la surface du substrat du transducteur sans obstacle.

Une troisième courbe 106 représente l'évolution en fonction de l'angle Θ de couplage électromécanique des ondes de Rayleigh.

Suivant la Figure 4, une quatrième courbe 108, une cinquième courbe 1 10, représentent respectivement l'évolution en fonction de l'angle Θ d'une première vitesse de phase et d'une deuxième vitesse de phase pour des ondes de ondes de cisaillement pur se propageant à la surface du substrat du transducteur sans obstacles.

Une sixième courbe 1 12 représente l'évolution en fonction de l'angle Θ du couplage électromécanique des ondes de cisaillement pur.

Suivant la Figure 5, les quatrième et cinquième courbes 108, 1 10 sont représentées à titre de rappel.

Une septième courbe 1 14, une huitième courbe 1 16, représentent respectivement l'évolution en fonction de l'angle Θ de premières pertes et deuxièmes pertes de propagation pour des ondes de ondes de cisaillement pur se propageant à la surface du substrat du transducteur sans obstacles. Les septième et huitième courbes 1 14, 1 16 correspondent respectivement aux quatrième et cinquième courbes 108, 1 10.

D'après les Figures 3 à 5, il apparaît une première gamme angulaire, représentée par un premier intervalle 120 sur les axes d'abscisses des Figures, et définie par l'ensemble des valeurs de l'angle Θ comprises entre moins soixante neuf degrés (-69°) et moins vingt degrés (-20 °).

Dans ce premier intervalle 120 de valeurs de l'angle Θ, l'onde de Rayleigh seule contribue de façon notoire au spectre du transducteur et peut être analysée, en remarquant que le calcul des propriétés des ondes de cisaillement partiellement guidées (PSAW) ne converge pas pour cette zone angulaire.

Par ailleurs, il peut être remarqué que les pertes dans le cas d'un vrai mode de surface comme les ondes de Rayleigh ne sont pas représentées, celles-ci étant nulles.

Il apparaît également une deuxième gamme angulaire, représentée par un deuxième intervalle 124 sur les axes d'abscisses des Figures 3 à 5, et définie par l'ensemble des valeurs de l'angle Θ comprises entre moins cinq degrés (-5°) et plus quatre-vingt dix degrés (+90 °).

Dans ce deuxième intervalle 124 de valeurs de l'angle Θ, l'onde de cisaillement pur seule contribue de façon notoire au spectre du transducteur, l'onde de Rayleigh ayant un une contribution que l'on cherche à annuler.

Par ailleurs, il peut être remarqué que les pertes associées aux ondes de cisaillement pur et représentées par les septième et huitième courbes 1 14, 1 16 sont faibles.

Ainsi, non seulement le phénomène de propagation d'ondes de surface est avéré pour une gamme d'orientations cristallines bien plus large que celles connues classiquement, mais encore pour certaines orientations cristallines, l'onde de Rayleigh peut également être considérée comme un mode utile exploitable, le phénomène d'extinction totale de l'onde de cisaillement étant obtenu pour des épaisseurs de métallisation optimales en fonction de l'angle Θ et rapport de métallisation a/λ.

En variant en même temps le rapport de métallisation a/p et l'épaisseur de métallisation h/λ, on obtient l'annulation de la contribution de l'onde dite parasite pour toutes les configurations possibles. En outre l'absence de pertes sur l'anti-résonance est validée également, la configuration n'étant pas exploitable si l'existence de pertes sur l'anti-résonance est avérée.

Des calculs supplémentaires, fondés sur la modélisation des configurations du transducteur ci-dessus permettent de généraliser le phénomène observé sur la coupe YX (coupe identique par rotation tensorielle à la coupe (YXw)/60°) d'élimination de l'onde résiduelle (en l'occurrence une onde de polarisation elliptique assimilable à une onde de Rayleigh) pour une épaisseur de métallisation donnée à toutes les orientations cristallines à simple rotation. Ces calculs démontrent que des conditions technologiques sur les hauteur et largeur d'électrodes existent effectivement pour toutes les coupes à simple rotation de niobate de lithium qui permettent de ne conserver qu'un seul mode utile dans le domaine spectral.

Comme évoqué plus haut, les calculs mettent en évidence le phénomène d'élimination des modes à couplage électromécanique minoritaire sous réseau d'électrodes épais. Le phénomène est assez général et la gamme d'épaisseur pour laquelle il est observé peut être définie grossièrement dans un premier temps. Les tableaux ci-dessous montre l'évolution de ces points de fonctionnement optimums pour les ondes de cisaillement pur et de Rayleigh respectivement. On y reporte l'épaisseur relative de métallisation (vis-à-vis de λ) en fonction de l'angle de coupe et du rapport de métallisation.

Les calculs ont été effectués pour de l'aluminium isotrope sans pertes ni dopage.

Les points de fonctionnement indiqués peuvent légèrement évoluer pour une composition différente d'aluminium (par exemple avec un léger dopage au cuivre comme couramment pratiqué pour minimiser les pertes dans les électrodes des composants à ondes de surface, voire en particulier la référence CAPTEUR DE TEMPÉRATURE AVEC ÉLECTRODES EN ALLIAGE, 067334 FR) . Les cases vides des tableaux correspondent à des points de fonctionnement pour lesquels l'anti-résonance présente des pertes importantes.

Tableau 1 : Épaisseurs de métallisation relative h/λ et rapports de métallisation pour lesquelles la contribution de l'onde de Rayleigh est minimisée pour les coupes à simple rotation d'angle Θ positif

Angle Θ -5° -10° -15° -20° -25° -30° -35° -40° -45° -50° a/p

0,2 14,8 14,7 14,7 14,7 14,7 14,75 14,8 14,8 14,8 14,6

0,3 13,3 13,3 13,3 13,3 13,4 13,4 13,5 13,5 13,5 13,3

0,4 12,1 12,15 12,15 12,2 12,2 12,3 12,35 12,4 12,35 12,1

0,5 11 ,1 11 ,1 11 ,1 11 ,3 11 ,25 11 ,3 11 ,35 11 ,4 11 ,3 10,9

0,6 10,3 10,3 10,3 10,3 10,4 10,4 10,45 10,5 10,3 9,75

0,7 9,7 9,7 9,8 9,8 9,8 9,8 9,85 9,8 9,7 8,95

0,8 9,6 9,6 9,65 9,6 9,7 9,7 9,7 9,6 9,4 8,65

Tableau 2: Épaisseurs de metallisation relative h/λ correspondant aux rapports de métallisation pour lesquelles la contribution de l'onde de Rayleigh est minimisée pour les coupes à simple rotation d'angle Θ négatif

Tableau 3: Épaisseurs de métallisation relative h/λ pour lesquelles la contribution de l'onde de cisaillement est minimisée pour les coupes à simple rotation d'angle Θ négatif.

Entre les coupes (YX/)/ Θ avec -50 °< Θ <-60 °, on constate l'absence d'annulation de l'onde à couplage minoritaire (ici de cisaillement). Il n'y a pas d'explication simple de ce phénomène, si ce n'est le fait que pour les ondes de volume se propageant avec un vecteur d'onde colinéaire à la surface considérée ici, la polarisation du mode couplé tourne de 90 ° dans cette gamme d'angle. Il n'est cependant pas possible en l'état actuel des connaissances de faire le lien entre les deux phénomènes.

Suivant les Figures 6, 7 et 8, dans le cas du tantalate de lithium, bien que le matériau soit un parfait isomorphe du niobate et que l'évolution des propriétés des ondes de cisaillement pur présente des similitudes avec celles des mêmes ondes sur niobate de lithium, la situation s'avère notablement différente en termes d'optimum pour des ondes de Rayleigh. On notera le cas particulier de la coupe (YX/)/128 degrés, c'est-à-dire la coupe (YX/)/-52° sur les Figures 6 à 8.

Suivant la Figure 6, une première courbe 202, une deuxième courbe 204, représentent respectivement l'évolution en fonction de l'angle Θ d'une première vitesse de phase et d'une deuxième vitesse de phase pour des ondes de Rayleigh se propageant à la surface du substrat du transducteur sans obstacle.

Une troisième courbe 206 représente l'évolution en fonction de l'angle Θ de couplage électromécanique des ondes de Rayleigh.

Suivant la Figure 7, une quatrième courbe 208, une cinquième courbe 210, représentent respectivement l'évolution en fonction de l'angle Θ d'une première vitesse de phase et d'une deuxième vitesse de phase pour des ondes de ondes de cisaillement pur se propageant à la surface du substrat du transducteur sans obstacles.

Une sixième courbe 212 représente l'évolution en fonction de l'angle Θ de couplage électromécanique des ondes de cisaillement pur.

Suivant la Figure 8, les quatrième et cinquième courbes 208, 210 sont représentées à titre de rappel.

Une septième courbe 214, une huitième courbe 216, représentent respectivement l'évolution en fonction de l'angle Θ de premières pertes et deuxièmes pertes phase pour des ondes de ondes de cisaillement pur se propageant à la surface du substrat du transducteur sans obstacles.

Les septième et huitième courbes 214, 216 correspondent respectivement aux quatrième et cinquième courbes 208, 210.

A la différence de son isomorphe, le niobate de lithium, le tantalate de lithium présente une masse volumique notoirement plus élevée et requiert des épaisseurs de métallisation autrement plus importantes que dans le cas du niobate de lithium pour atteindre des vitesses de phase des ondes de cisaillement inférieures à la vitesse de l'onde SSBW.

Par contre, on constate bien le même phénomène d'extinction de l'onde présentant le couplage électromécanique le plus faible lorsque les deux modes coexistent, et ce toujours pour les coupes à simple rotation.

Par exemple, sur la coupe YX, il faut 19% de hauteur relative de métallisation en aluminium pour un rapport a/p de 0,3 pour que l'anti-résonance de l'admittance harmonique soit bien située sous la fréquence de l'onde SSBW.

Suivant les Figures 9, 10 et 1 1 dans le cas où le matériau de la plaque de substrat est du niobate de lithium et où une coupe à simple rotation définie par les orientations cristallines (YXi i//f)/60°/0 ^o /0 ° au sens de la norme IEEE Std-176 est choisie, l'évolution des points de configuration optimale du transducteur pour lesquels la composante parasite, formée par la contribution des ondes de Rayleigh, s'annule est représentée lorsque des électrodes en aluminium, en cuivre et en tungstène sont utilisées.

Suivant la Figure 9, un ensemble de points 302 comprend cinq points 304, 306, 308, 310, 312 de configurations optimales du transducteur pour lesquels la composante parasite, formée par la contribution des ondes de Rayleigh, s'annule. L'onde utile est ici une onde de cisaillement pur et les électrodes sont en aluminium.

Un point de configuration optimal est déterminé par la fourniture de deux nombres, en abscisse le taux de métallisation a/p et en ordonnée l'épaisseur relative de métallisation h/λ.

Une courbe d'interpolation 314 permet de déterminer un point de configuration optimale du transducteur quelconque à partir de la donnée d'une valeur de taux de métallisation a/p comprise entre 0,25 et 0,7 et de la fourniture d'une épaisseur relative h/λ correspondante.

De manière covariante, la courbe d'interpolation 314 permet de déterminer un point de configuration optimale du transducteur quelconque à partir de la donnée d'une valeur épaisseur relative h/λ (avec λ~2ρ) comprise entre 10 et 13,5 et de la fourniture d'un taux de métallisation a/p correspondant.

Suivant la Figure 10, un ensemble de points 322 comprend cinq points 324, 326, 328, 330, 332 de configurations optimales du transducteur pour lesquels la composante parasite, formée par la contribution des ondes de Rayleigh, s'annule. L'onde utile est ici une onde de cisaillement pur et les électrodes sont en cuivre.

Un point de configuration optimal est déterminé par la fourniture de deux nombres, en abscisse le taux de métallisation a/p et en ordonnée l'épaisseur relative de métallisation h/λ.

Une courbe d'interpolation 334 permet de déterminer un point de configuration optimale du transducteur quelconque à partir de la donnée d'une valeur de taux de métallisation a/p comprise entre 0,25 et 0,7 et de la fourniture d'une épaisseur relative h/λ correspondante.

De manière covariante, la courbe d'interpolation 334 permet de déterminer un point de configuration optimale du transducteur quelconque à partir de la donnée d'une valeur épaisseur relative h/λ comprise entre 4,3 et 6,1 et de la fourniture d'un taux de métallisation a/p correspondant.

Suivant la Figure 1 1 un ensemble de points 342 comprend cinq points 344, 346, 348, 350, 352 de configurations optimales du transducteur pour lesquels la composante parasite, formée par la contribution des ondes de Rayleigh, s'annule. L'onde utile est ici une onde de cisaillement pur et les électrodes sont en tungstène.

Un point de configuration optimal est déterminé par la fourniture de deux nombres, en abscisse le taux de métallisation a/p et en ordonnée l'épaisseur relative de métallisation h/λ.

Une courbe d'interpolation 354 permet de déterminer un point de configuration optimale du transducteur quelconque à partir de la donnée d'une valeur de taux de métallisation a/p comprise entre 0,25 et 0,7 et de la fourniture d'une épaisseur relative h/λ correspondante.

De manière covariante, la courbe d'interpolation 354 permet de déterminer un point de configuration optimale du transducteur quelconque à partir de la donnée d'une valeur épaisseur relative h/λ comprise entre 2,1 et 3,1 la fourniture d'un taux de métallisation a/p correspondant.

Suivant la Figure 12, un procédé de fabrication 402 d'un transducteur à ondes élastiques de surface (SAW) décrit dans les Figures 1 et 2 comprend une succession d'étapes 404, 406, 408, 410 et 412.

Dans une première étape 404, un matériau monocristallin piézoélectrique est choisi arbitrairement dans la famille des matériaux formée par le niobate de lithium (LiNb0 ₃ ), le tantale de lithium (LITa0 ₃ ), la langasite et ses variantes.

Un matériau piézoélectrique ayant été choisi, une coupe à simple rotation de la plaque de substrat réalisée dans le matériau est choisie.

La coupe à simple rotation choisie est une coupe à simple rotation définie par les orientations cristallines (ΥΧι ι//ί)/0 ^ο ±5°/θ/0 ^ο ±5° au sens de la norme IEEE Std-176 avec Θ compris entre -90° et +90 ° ou par les orientations cristallines (YXi i//f)/60 ^o ±5 ^o /0 ^o ±5 ^o /0 ^o ±5° et telle que les ondes élastiques de surface se propageant le long de la face de support lorsque le transducteur est excité idéalement avec une face de support libre du réseau d'électrodes présentent une onde de surface prédominante et une onde de surface résiduelle.

L'onde de surface prédominante est soit une onde de Rayleigh soit une onde de cisaillement partiellement guidée, l'onde résiduelle étant une onde de cisaillement partiellement guidée lorsque l'onde prédominante est une onde de Rayleigh, l'onde résiduelle étant une onde de Rayleigh lorsque l'onde prédominante est une onde de cisaillement partiellement guidée.

Dans une étape suivante 406, le matériau et la coupe de substrat ayant été choisis, l'épaisseur relative de métallisation h/λ, c'est-à-dire le rapport entre l'épaisseur des électrodes et la longueur d'onde acoustique λ, et le taux de métallisation a/p, c'est-à- dire le rapport entre la largeur a des électrodes et la période mécanique du réseau p, sont déterminés en même temps pour annuler la contribution de l'onde résiduelle, lorsque le taux de métallisation est différent à 5% près de 0,5 et que le matériau de la plaque de support est différent d'une coupe de niobate de lithium d'angle Θ compris entre plus dix degrés (+10°) et plus vingt-cinq degrés (+25°).

La détermination conjointe et simultanée du taux de métallisation a/p et de l'épaisseur de métallisation h/λ des électrodes dépend du matériau métallique constituant les électrodes métalliques.

Le matériau métallique est un métal ou un alliage d'un ou plusieurs métaux compris dans l'ensemble formé par l'aluminium, le cuivre, le platine, le tungstène, l'or, le chrome, le titane et le molybdène, ainsi que les métaux dopés tels que l'aluminium dopé au cuivre, au silicium ou au titane.

Dans une étape suivante 408, la plaque de substrat est fournie ayant une largeur w, une longueur I et une épaisseur t, constituée en un matériau cristallin piézoélectrique choisie dans la première étape 404, coupée selon les trois plans de coupe choisis dans la même première étape 404 et définis par un premier angle φ choisi, un deuxième angle Θ choisi, et un troisième angle ψ choisis définis par la nomenclature (ΥΧννΙί)/φ/θ/ψ du standard IEEE Std-176 (révision 1949), et ayant une face de support de normale la direction de l'épaisseur apte à recevoir des électrodes.

Dans une étape suivante 410, un réseau d'électrodes métalliques ayant l'épaisseur h et la largeur a déterminées en même temps dans l'étape 406 est fourni. Le réseau d'électrodes comporte un premier peigne d'électrodes rangées selon une première direction et un deuxième peigne d'électrodes rangées selon une deuxième direction, les électrodes étant entrelacées deux à deux, le pas p du réseau étant égal à la moitié de la longueur d'onde de surface λ.

Puis dans une étape 412, le réseau d'électrodes métalliques est disposé et fixé sur la face de support en agençant le premier peigne et le deuxième peigne de sorte que les électrodes du premier peigne et deuxième peigne soient entrelacées alternativement deux à deux suivant un pas périodique p de réseau et selon une direction de propagation d'ondes élastiques de surface le long de la face de support, le double du pas de réseau 2p étant égal sensiblement à la longueur d'onde acoustique λ;

Les dispositifs à ondes de surface sont largement utilisés dans les systèmes électroniques de télécommunication.

En particulier, de tels dispositifs sont utilisés pour des filtres passe-bande à largeur de bande élevé et à rejet hors bande passante élevé fonctionnant à des fréquences comprises entre 100 MHz et 5 GHz pour 95% des applications. Le transducteur inter-digité peut être aussi utilisé pour détecter des ondes de surfaces SAW en produisant une onde électrique de sortie avec une forme d'onde associée.

Un autre composant SAW de base est une grille de réflexion formé de réseaux soit de bandes métalliques soit de rainures ou corrugations.

En combinant les transducteurs et les réflecteurs, des résonateurs à ondes acoustiques de surfaces et des filtres à résonateurs peuvent être construits.

L'invention est clairement focalisée sur des structures de type « résonateur ». Elle inclut donc naturellement les filtres à résonateurs couplés ainsi que les combinaisons d'éléments d'impédance pour réaliser les fonctions correspondantes. Elle peut néanmoins être appliquée pour le cas de capteurs dans lesquels on cherchera une pureté spectrale évitant toute ambiguïté dans l'analyse comportementale du dispositif et plus particulièrement dans l'analyse de la sensibilité paramétrique de ses propriétés physiques (vitesse de propagation , fréquence de résonance, couplage électromécaniques, etc.. en fonction de la température, de la pressions, de forces appliqués sur le dispositif, etc.).