Fonctionnement des filtres MEMS : ondes lambda, SAW, BAW

L'Internet des objets ne cesse de prendre de l'ampleur, ce qui signifie que de plus en plus de dispositifs mobiles (smartphones, tablettes, ordinateurs, téléviseurs et même les réfrigérateurs et les machines à laver !) se disputent désormais les longueurs d'onde pour transmettre des informations. Presque tous ces dispositifs sont multibandes et peuvent répondre à plusieurs normes de transmission différentes pour leur permettre de communiquer de la manière la plus efficace possible. À ce titre, ils se trouvent toujours dans des environnements entourés d'une quantité démesurée de radiofréquences transmises dans l'air. Cela pose l'un des principaux problèmes de la communication radio d'aujourd'hui : comment garantir un flux de données élevé sans interférence ni bruit dans les signaux reçus ? Ainsi, tous les dispositifs qui utilisent la transmission et/ou la réception de signaux ont une forme de filtre RF connecté à leurs récepteurs radio.

Filtres RF

Il n'existe pas de gamme de fréquences communément acceptée pour laquelle un filtre RF est officiellement employé. Cependant, la limite inférieure à laquelle un filtre RF doit être utilisé est choisie comme limite maximale à laquelle le traitement des signaux numériques peut se maintenir à un niveau raisonnable. Dans le monde IoT actuel, cette limite commence à 100 MHz et la limite supérieure est fixée autour de 10 GHz. Tout ce qui dépasse cette fréquence se situe directement dans le territoire des hyperfréquences. La gamme de fréquences comprise entre 100 MHz et 6 GHz est utilisée pour les environnements urbains typiques et constitue une largeur de bande suffisante pour toutes les utilisations dans ces environnements. Cependant, des centaines de signaux de diffusion différents sont utilisés en raison des fréquences exploitées par les services de diffusion TV, les services mobiles, les réseaux WLAN et même les usages gouvernementaux/militaires. Pour cette raison, il convient d'utiliser des filtres RF très sélectifs, même dans les dispositifs les plus banals. La « sélectivité » de ces filtres implique qu'ils doivent présenter des facteurs de qualité extrêmement élevés, ainsi que de faibles pertes.

Les types de filtre RF utilisés pour les applications mentionnées ci-dessus sont généralement des formes de filtres passe-bande, et nous savons que ces filtres peuvent être créés à l'aide d'une série d'inductances et de condensateurs connectés selon des typologies à la fois étranges et merveilleuses. Toutefois, bien que ces filtres soient respectés et adaptables, en raison des pertes intrinsèques des inductances et des condensateurs, ils ne sont pas adaptés aux applications supérieures à 500 MHz, car leurs valeurs Q ne sont tout simplement pas assez élevées pour permettre une précision adéquate pour nos utilisations.

Filtres MEMS RF

Nous devons donc nous tourner vers des résonateurs mécaniques, comme les résonateurs à quartz et les résonateurs à diapason, car ils peuvent atteindre les valeurs Q dont nous avons besoin, c'est-à-dire bien au-delà de 10 000. Les résonateurs à quartz sont également appelés résonateurs piézoélectriques, car le quartz est un matériau piézoélectrique. Cela signifie que le matériau crée un mouvement mécanique lorsqu'une charge est appliquée et, inversement, qu'il crée une charge lorsqu'une contrainte mécanique lui est appliquée.

Les contraintes géométriques et matérielles sont généralement ce qui dicte le facteur de qualité et les fréquences de résonance de ces résonateurs piézoélectriques mécaniques. Ainsi, pour augmenter la gamme de fréquences dans laquelle ces résonateurs peuvent fonctionner, il convient d'utiliser différents matériaux et procédés MEMS (microsystèmes électromécaniques) afin de fabriquer des résonateurs qui fonctionnent aux fréquences requises. Le nitrure d'aluminium (AlN) est un matériau piézoélectrique qui a gagné beaucoup de terrain, principalement pour ses performances par rapport à son rendement de fabrication.

Résonateurs BAW et SAW

Les deux principaux types de résonateurs que nous allons aborder sont les résonateurs à ondes acoustiques de volume (BAW) et les résonateurs à ondes acoustiques de surface (SAW).

Résonateurs BAW

Les résonateurs BAW sont constitués d'une couche piézoélectrique placée entre deux électrodes métalliques. Ces électrodes induisent une onde acoustique qui se propage verticalement le long du « volume » de la couche piézoélectrique et forme une onde stationnaire entre les électrodes.

Pour empêcher les ondes de s'échapper dans le substrat, il existe quelques configurations de filtres BAW : les résonateurs à membrane (MTR), les résonateurs acoustiques de volume à couche mince (FBAR) et les résonateurs montés solidement (SMR).

Les dispositifs FBAR et MTR utilisent une cavité d'air sous la zone active, créant ainsi des membranes suspendues. Comme l'impédance acoustique de l'air est 10^5 fois inférieure à celle des matériaux solides typiques, une très faible quantité d'énergie est rayonnée dans l'air et 99,995 % de l'énergie est réfléchie.

Dans le cas des dispositifs SMR, un réflecteur de Bragg acoustique est obtenu en empilant plusieurs couches de matériaux alternés, tous d'indices de réflexion différents, pour empêcher les ondes de s'échapper dans le substrat.

Au niveau de n'importe laquelle des interfaces entre les couches à haute et basse impédance, un grand pourcentage de l'onde est réfléchi, et comme les couches sont espacées d'une distance de λ/4 les unes des autres, elles s'additionnent avec la phase correcte. L'utilisation de trois paires de couches miroir peut produire une réflectivité suffisamment bonne pour tout usage pratique si le rapport d'impédance, z = Z1/Z2, entre les couches est élevé. En général, la relation pour la réflectivité d'un miroir avec N paires de couches d'épaisseur λ/4 est r = 1 − z^2N.

• Caractéristiques de conception (quels sont les facteurs importants pour concevoir de tels résonateurs ?) :

Plusieurs paramètres matériels doivent être pris en compte lors de la fabrication d'un dispositif BAW :

• Le coefficient de couplage piézoélectrique K_eff² représente physiquement le rendement de conversion énergétique du dispositif et est défini par la distance entre les pics de résonance série et de résonance parallèle. Une couche piézoélectrique avec un couplage trop faible ne permettra pas de réaliser des filtres avec la largeur de bande requise pour les applications de téléphonie mobile.



• L'équation ci-dessus permet de calculer le coefficient de couplage effectif en utilisant la fréquence de résonance série (fs) et la fréquence de résonance parallèle (fp).
• Constante diélectrique εr. Le niveau d'impédance d'un résonateur est déterminé par la taille du résonateur, l'épaisseur de la couche piézoélectrique et la constante diélectrique. Une constante diélectrique εr plus élevée permet de réduire la taille du résonateur.
• Vitesse acoustique : un matériau à faible vitesse acoustique permettra d'obtenir des couches piézoélectriques plus fines et donc des dispositifs plus compacts.
• Coefficient de température : représente le degré de décalage de fréquence lorsque la température change.
• Pour le résonateur BAW, le facteur de mérite (FOM) est l'un des paramètres les plus importants et peut être défini comme suit : FOM = K_eff² × Q, où K_eff² est le coefficient de couplage effectif et Q est le facteur de qualité. Un K_eff² plus important donne une largeur de bande conséquente, ce qui est souhaité pour la bande 5G.

• Caractéristiques de résonance :

La fréquence de résonance du filtre est dictée par la vitesse acoustique dans la couche piézoélectrique et par l'épaisseur de la couche piézoélectrique.



Où v représente la vitesse acoustique et d l'épaisseur de la couche piézoélectrique. L'épaisseur de l'électrode peut également affecter la fréquence de résonance, et des épaisseurs d'électrode différentes peuvent générer des décalages de fréquences qui peuvent être utilisés pour contrôler la bande passante du filtre.

Résonateurs SAW

Contrairement aux filtres BAW, dans les filtres SAW, l'onde acoustique et l'énergie se propagent le long d'une seule « surface » du substrat. Par conséquent, les caractéristiques du résonateur SAW ne dépendent pas autant de la forme ou de l'épaisseur du substrat que les filtres BAW.

Les résonateurs SAW peuvent être divisés en deux types principaux : les résonateurs SAW à un port et les résonateurs SAW à deux ports. Les réflecteurs sont situés de part et d'autre des transducteurs interdigités (IDT) d'entrée et de sortie afin de contenir l'onde dans une cavité et de créer une résonance.

• Caractéristiques de conception (quels sont les facteurs importants pour concevoir de tels résonateurs ?) :

Les caractéristiques de conception des filtres SAW sont très similaires à celles des filtres BAW dans la mesure où les coefficients de couplage et la vitesse acoustique ont des conséquences importantes sur leurs sorties. Mais plus spécifiquement, il existe deux manières principales d'affecter la fréquence de résonance des dispositifs SAW. Pour l'augmenter, vous pouvez réduire la largeur de ligne et l'espacement périodique de la barre IDT. Cette opération nécessitera l'utilisation d'une technologie lithographique haute précision, comme la lithographie par ultraviolets ou par faisceau d'électrons. L'autre méthode consiste à utiliser un substrat ayant une vitesse acoustique plus élevée.

• Caractéristiques de résonance :

  

  où « pitch » désigne la distance entre le milieu des deux lames IDT.

Résonateurs à ondes lambda

Les résonateurs à ondes lambda utilisent une structure qui est une combinaison des résonateurs SAW et FBAR afin d'utiliser les avantages de chacun d'entre eux. Cette structure permet d'obtenir des facteurs de qualité plus élevés et des vitesses de phase plus importantes.

Des grilles ou des réflecteurs à bords flottants sont utilisés pour réfléchir et contenir l'onde acoustique.

• Caractéristiques de conception (quels sont les facteurs importants pour concevoir de tels résonateurs ?) :

Il existe trois conditions aux limites principales : ouvert-ouvert, court-ouvert et court-court. Ici, l'effet mécanique de la métallisation est ignoré. En d'autres termes, la métallisation est supposée être infiniment mince. La métallisation réduit légèrement la vitesse de phase, mais cet effet est généralement ignoré pour des questions de simplicité.

Cependant, les IDT doubles sont beaucoup plus compliqués à fabriquer et donc plus chers. Aussi, la configuration la plus largement utilisée est le type IDT simple avec une couche AlN épaisse ou un IDT de type BE flottant avec une couche AlN mince.

• Caractéristiques de résonance :

La fréquence de résonance d'un résonateur à ondes lambda est le rapport entre la vitesse de phase du mode d'onde et la longueur d'onde, soit :

Conclusion

À des fréquences d'environ 2 GHz ou moins, les filtres SAW sont capables d'une excellente réjection des signaux indésirables tout en maintenant des réponses en amplitude plates dans la gamme de fréquences de la bande passante. Bien que les filtres BAW puissent être fabriqués pour être utilisés à des fréquences inférieures à 1,5 GHz et dans la gamme de fréquences des composants SAW, les dimensions plus importantes des composants BAW à ces fréquences inférieures entraînent des rendements de composants plus faibles par tranche piézoélectrique, ce qui rend difficile la compétitivité en matière de coûts avec les filtres SAW.

Cependant, étant donné que les dimensions de la structure IDT diminuent avec l'augmentation de la fréquence des résonateurs SAW, les difficultés de production des composants SAW avec des dimensions d'IDT suffisamment petites pour prendre en charge ces fréquences plus élevées rendent la tâche irréalisable. Pour cette raison, les filtres SAW ne sont pas utilisés pour les applications 5G, car ils ne sont tout simplement pas rentables par rapport aux filtres BAW à ces fréquences. Les applications 5G d'aujourd'hui utilisent des filtres FBAR, car ceux-ci peuvent fonctionner dans la gamme de fréquences comprise entre 100 MHz et 10 GHz. Les FBAR se caractérisent par une faible perte d'insertion (de 0,3 à 0,5 db), ce qui équivaut à une consommation de courant nettement inférieure et, par conséquent, à un usage prolongé de la batterie pour les dispositifs portables.

Cet article ne constitue en aucun cas une explication exhaustive des filtres de résonateurs, mais j'espère qu'il servira de présentation avancée des filtres MEMS RF et des théories sous-jacentes qui leur permettent de fonctionner dans le monde réel.