Thèmes de recherche

Equipe 2 - Modélisation MEMS acoustiques (MODMEMS)

Responsable : LEFEBVRE Jean-Etienne - Tél : +33 (0)3 27 51 14 40 - jean-etienne [dot] lefebvre [at] univ-valenciennes [dot] fr

Membres permanents : GRYBA Tadeusz, ZHANG Victor, LEFEBVRE Jean-Etienne

Membres non-permanents : RAHERISON Antoine, ELMAIMOUNI Lahoucine, RATOLOJANAHARY Faniry

Les activités de l'équipe recouvrent la modélisation et la caractérisation des microsystèmes acoustiques (MEMS : Micro-ElectroMechanical Systems). Etant donné le développement très rapide des communications numériques et des dispositifs sans fil qui crée une demande très forte pour des composants intégrés miniatures, bas coût et à faible consommation, la recherche, s'est plus particulièrement focalisée ces dernières années sur la modélisation et la caractérisation de résonateurs électromécaniques et de filtres radiofréquences compatibles avec la technologie de fabrication des composants microélectroniques. Elle s'oriente pour les années à venir vers l'étude et la réalisation de plateformes multifréquences en vue de l'élaboration de circuits RF agiles.

A cet effet, des modèles et les logiciels associés sont développés qui permettent de décrire le comportement des ondes acoustiques dans des structures complexe. Des savoir-faire spécifiques sont mis en œuvre pour la fabrication de prototypes sous la forme de composants monolithiques intégrés.

Opérations de recherche

L'étude et la conception de microsystèmes acoustiques nécessitent de modéliser la propagation acoustique dans des structures complexes, anisotropes, piézoélectriques, multicouches, où chaque couche peut être homogène ou à gradient et d'orientation cristallographique quelconque. Ce travail nécessite de solides compétences théoriques et des moyens de calcul numérique lourds. La plupart des modèles d'analyse reposent sur des méthodes à éléments finis très consommatrices en temps machine et en espace mémoire. L'équipe travaille donc à l'élaboration de méthodes alternatives semi-analytiques bien plus aptes à permettre une simulation rapide et efficace moyennant quelques hypothèses simplificatrices ou idéalisées. En parallèle, la centrale de technologie de l'IEMN (Institut d'Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie) est mise à profit pour réaliser des prototypes cointégrés.

Résultats majeurs

» Une première méthode d'analyse utilise une modélisation polynomiale : jusqu'alors réservée au calcul d'ondes propagatives dans des guides unidimensionnels (modes de surface SAW et modes de plaque LAMB) elle a été étendue pour pouvoir être appliquée à l'étude d'ondes stationnaires dans des résonateurs avec, élément tout à fait nouveau pour cette approche, la prise en compte des sources. Elle a de plus été adaptée pour modéliser des résonateurs à géométrie rectangulaire (modélisation bidimensionnelle) et à géométrie circulaire (modélisation tridimensionnelle).

Elle permet, sur les résonateurs MEMS, de calculer

  1. dans le cadre d'une analyse modale, les fréquences de résonance et d'antirésonance

  2. dans le cadre d'une analyse harmonique l'impédance électrique d'entrée des résonateurs.

» Une deuxième méthode d'analyse, basée sur le formalisme de Stroh, consiste à décrire la structure de façon rigoureuse en satisfaisant les relations constitutives du matériau en tout point. Combinée aux matrices d’impédance et de scattering, le formalisme développé s’applique aussi bien à une hétérostructure semi infinie qu’à un empilement fini, tout en conservant la stabilité numérique quelque soit la fréquence et l’épaisseur ou le nombre de couches. La fonction caractéristique issue de ce formalisme donnant les modes propres a l’avantage d’être libre des pôles et sensible aux modes de volume rampants, tout en conservant une phase stable et une amplitude moyenne raisonnable.

Ce modèle permet d’étudier :

  1. l’interaction des ondes acoustiques avec un réseau périodique de bandes métalliques en tenant compte de leurs effets électrique et mécanique (courbes de dispersion avec les bandes d’arrêt);

  2. l’optimisation des structures de filtres RF sur ZnO/GaAs, ZnO/Si, ZnO/Diamant/Si;

  3. la conception de plateformes SAW et de lab-on-chip pour manipulation des gouttelettes en micro-fluidique;

  4. le coefficient de transmission et de qualité Q d’un miroir de Bragg pour les filtres RF à base de couches minces et résonateurs BAW;

  5. l’analyse des parasites dus à l’interaction entre les modes d’épaisseur et de Lamb à l’aide de l’admittance harmonique d’entrée électrique (modèle de dispersion 2D);

  6. la structure de bandes des modes de Floquet dans les super-réseaux GaAs/AlAs;

  7. l’interaction acousto-optique des modes guidés dans des structures GaN/GaAlN/Al2O3 pour les guides et modulateurs optiques.

Un filtre pour système GSM à ondes de surface cointégré avec un amplificateur faible bruit en technologie CMOS a été réalisé et caractérisé.

Prospectives

L'outil polynomial est actuellement en cours d'évolution pour être appliqué à l'étude de résonateurs MEMS à modes de contour en vue du développement de plateformes RF multifréquences.

Une extension du modèle Stroh/matrice est en cours pour adapter l'outil aux cristaux phononique et photonique en vue de l’analyse des SAW et Lamb généralisés dans les PnC/PtC d’épaisseur finie possédant la périodicité dans le plan pour au moins une couche. Concernant les algorithmes récursifs stables qui emploient les matrices de scattering et d’impédance totale ou locale, le comportement numérique de diverses formes de l’équation caractéristique fait l’objet d’une analyse plus poussée afin d’en dégager des propriétés générales et règles d’usage.

Un prototype de filtre à modes de contour sera réalisé et caractérisé.

Publications

Collaborations nationales et internationales

  • Collaboration avec le LAPAUF, Laboratoire de Physique Appliquée de l'Université de Fianarantsoa à Madagascar sur les résonateurs plans et avec la faculté polydisciplinaire de l'université Ibn Zohr à Ouarzazate au Maroc sur les résonateurs cylindriques.

  • Collaboration scientifique avec le Professeur B. Collet de l’Institut Jean Le Rond d’Alembert, UMR 7190, Paris

  • Une partie de l’activité BAW est effectuée dans le cadre du Laboratoire commun IEMN-STMicroelectronics.