Moyens technologiques
Plateforme de technologies acoustiques
Responsable : Malika Toubal (Ingénieur) - Tél : 03 27 51 14 51 - malika [dot] toubal [at] univ-valenciennes [dot] fr
Membres permanents : Lucie Dupont (Technicienne)
La plateforme de technologie du laboratoire a pour fonctions :
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la conception et la réalisation de capteurs et de composants ultrasonores
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la caractérisation acoustique et électrique des éléments réalisés.
L’ensemble de l’équipement comprend, un bâti de pulvérisation, un bâti d’évaporation, un atelier de polissage, un banc de caractérisation HF ainsi que divers systèmes de contrôle de métrologie (mesureur d’épaisseur, profilomètre et moyens optiques).
Réalisation de capteurs par la technique de report
La réalisation de capteurs par la technique dite de report constitue un savoir-faire essentiel de notre laboratoire. Celle-ci consiste à coller à froid un monocristal piézoélectrique épais, sur un substrat constituant le milieu de propagation, par diffusion métallique puis à l’amincir, par abrasion, jusqu’à l’épaisseur désirée souvent égale à une demi longueur d’onde dans le milieu piézoélectrique. La limite des épaisseurs piézoélectriques (quelques micromètres), est fixée par les difficultés technologiques liées à l’amincissement par abrasion.
Une alternative à cette méthode est la technique de dépôt par pulvérisation, laquelle à l’inverse est limitée, d’une part par la difficulté à faire croître des couches minces piézoélectriques de plus de quelques micromètres (souvent soumises à des contraintes internes) et d’autre part à en maîtriser l’orientation cristalline.
L’avantage de la technique de report est que la coupe du transducteur monocristallin est indépendante de celle du substrat, ce qui rend libre le choix du mode d’ondes élastiques. À ce titre, le niobate de lithium (LiNbO3) constitue le candidat idéal du fait de ses excellents coefficients de couplage électromécanique, quasi longitudinal (KL=0,49) et quasi transversal (KT=0,62). Les dépôts métalliques sont réalisés dans un bâti destiné à cet usage et représenté sur la photo 1. Les capteurs les plus communément réalisés résonnent à des fréquences centrales allant de 10MHz à 500MHz auxquelles correspondent des épaisseurs comprises entre quelques centaines de micromètres (350 micromètres) et quelques micromètres (7micromètres).
Caractérisations acoustique et électrique des traducteurs réalisés
Les sondes ultrasonores sont caractérisées par la mesure de leur bande passante et leurs pertes de conversion électroacoustiques. Le banc de caractérisation acoustique est présenté sur la photo 2. L’impulsion d’excitation est constituée d’un signal HF modulé par un signal carré de durée et de fréquence de répétition variables. Cette impulsion, générée par un modulateur en anneau de puissance est ensuite appliquée aux bornes du traducteur piézoélectrique. La séparation des signaux émis (incidents) et réfléchis par le fond de la ligne à retard (substrat) est obtenue grâce à un coupleur directionnel. La visualisation des signaux se fait via un oscilloscope numérique large bande.
Photo 1 : bâti d’évaporation de couches métalliques destinées au collage du transducteur piézoélectrique sur le substrat.
Photo 2 : banc de caractérisation acoustique.
La caractérisation électrique des capteurs consiste à en mesurer l’impédance électrique via un analyseur de réseau et à la comparer à des résultats de simulation préalablement établis.
La forte évolution des activités d’acoustique vers l’intégration de systèmes conduit notre laboratoire à développer des procédés de technologie innovants basés sur l’intégration de composants acoustiques de petites dimensions et de haute fréquence.
Photo 3 : analyseur de réseau impulsionnel associé à un système de mesure sous pointes.
Figure 1 : comparaison de résultats de mesures (rouge) et de simulation (bleu).
Ceci nous amène à réaliser des traducteurs HF résonnant autour du gigaHertz collés sur des substrats minces de silicium. Pour la caractérisation électrique de ces capteurs, nous disposons d’un analyseur de réseau impulsionnel large bande (de 300KHz à 8GHz), représenté sur la photo 3, permettant des mesures sur des traducteurs de petites dimensions (100micromètres) sous pointes.
La figure 1 présente des mesures de l’impédance électrique (parties réelle pour les courbes du haut et imaginaire pour celles du bas) d’un traducteur en niobate de lithium résonnant à 100MHz collé sur un substrat en corindon, comparées à des résultats de simulation. On observe une bonne concordance de la réponse du capteur réalisé.