Composants acoustiques utilisés pour le filtrage - Modèles et outils de simulation

La modélisation des composants à ondes élastiques a fait l'objet de nombreux travaux depuis la mise au point des premiers dispositifs à ondes de volume jusqu'aux structures les plus complexes développées actuellement et combinant par exemple miroirs de Bragg et autres guides multicouches.

Une des caractéristiques singulières de la modélisation des dispositifs à ondes élastiques guidées réside dans l'extraordinaire accord simulation-mesure qu'il est possible d'obtenir. Cela est particulièrement vrai pour les dispositifs à ondes de surface. Quelques chiffres permettent d'illustrer ce propos :

• la précision de calcul des fréquences de résonance : quelques ppm ;

• la précision de prévision des pertes d'insertion : 0,1 dB ;

• la précision de prévision des niveaux rejetés d'un filtre (1 dB pour des niveaux de 40 dB).

On pourrait ajouter bien d'autres points d'accord simulation-mesure, comme la prévision de la position en fréquence et du niveau des modes parasites, pour les modes de volume comme de surface, ainsi que la sensibilité de la fréquence aux variations thermiques quasi-statiques.

Rares sont les domaines de la physique où l'accord simulation-mesure atteint ce niveau.

Deux raisons essentielles rendent cet accord possible :

• la première tient au fait que les substrats utilisés dans l'industrie des filtres passifs piézoélectriques (quartz, niobate de lithium, tantalate de lithium) sont des monocristaux et que, de ce fait, ils présentent une stabilité remarquable de leurs propriétés physiques. Les couches métalliques (aluminium le plus souvent, mais aussi molybdène, platine, or, tungstène ou chrome) qui forment les électrodes (surfaces pleines en regard, peignes interdigités) sont également caractérisées de façon précise, bien que sujettes à plus de variabilité que les substrats eux-mêmes du fait de leur mode d'élaboration (dépôts par voies chimiques ou physiques) ;

• la seconde réside dans la définition presque parfaite de la géométrie des dispositifs puisque réalisés grâce aux technologies de la microélectronique. Des procédés de lithographie (par ombres portées) sur des plaques de grandes dimensions (tranches de 4 pouces de diamètre minimum) sont utilisés pour définir les motifs planaires de métallisation. Les photorépéteurs utilisés à cette fin présentent des résolutions largement submicroniques (le standard industriel du domaine est typiquement de 0,3 µm) pour des longueurs d'ondes acoustiques comprises entre 50 et 1 µm. Par ailleurs, les machines de dépôts (évaporation, pulvérisation cathodique, dépôts en phase vapeur) permettent une maîtrise de l'épaisseur des couches au pour-cent de la valeur nominale. Les géométries des films résultants sont par conséquent définies avec grande précision (voir [E2000]).

Cette particularité permet un niveau de prévision théorique remarquable, compatible avec une exploitation industrielle en grands volumes. En effet, à l'instar de la microélectronique, il n'est pas besoin de réaliser de nombreux prototypes pour s'assurer de l'efficacité ou de la pertinence d'une conception théorique. Il faut en contrepartie développer une base assez complète d'outils de simulation pour pouvoir effectivement s'affranchir de cette contrainte de prototypage et satisfaire aux critères de précision requis par les utilisateurs de filtres passifs et autres composants acoustoélectroniques. Nous tenterons ici de montrer une démarche en ce sens permettant d'accéder à des niveaux croissants de description des principes. Une fois posées les briques de base communes à la grande majorité des modèles de dispositifs acoustoélectriques, nous étudierons spécifiquement les cas des ondes de surface et des modes de volume, selon cet ordre, en développant notre description selon un schéma croissant de complexité.