Étude d’un résonateur piézoélectrique à ondes acoustiques de volume en technologie film mince

Study of a piezoelectric bulk acoustic wave resonator in thin film technology

• Auteur / Autrice : Olivier Mareschal
• Direction : Gaëlle Lissorgues
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 22/03/2011
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes
• Jury : Président / Présidente : Claude Richard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaëlle Lissorgues, Daniel Royer, Christophe Dolabdjian, Sébastien Saez, Laurie Valbin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claude Pellet, Sylvain Ballandras

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrure d'aluminium

Matériaux piézoélectriques

Résonateurs électriques

Systèmes microélectromécaniques

Mots clés libres

Mems

Résonateur

Piézoélectrique

Elongation

AlN

Mems

Resonator

Piezoelectric

Elongation

AlN

Résumé

Le résonateur étudié s'insère dans un projet industriel porté par NXP Semiconductors. L'objectif est la réalisation d'un résonateur MEMS RF intégrable en vue de remplacer le quartz dans certaines applications. La compatibilité du procédé de fabrication avec les technologies utilisées par la société et le faible coût de production représentent les principaux enjeux du projet. Le résonateur TFEAR (Thin Film Elongation Acoustic Resonator) est un barreau, constitué d'une superposition de couches minces de type Métal/AlN/Métal. Les propriétés piézoélectriques du nitrure d'aluminium (AlN) sont ainsi exploitées : l'application d'un champ électrique alternatif, parallèle à l'épaisseur du barreau, entraîne une propagation d'ondes acoustiques suivant sa longueur. Les dimensions des résonateurs fabriqués correspondent à des fréquences de résonance comprises entre 10MHz et 50MHz. Cette thèse s'intéresse la modélisation et à la caractérisation électrique du résonateur TFEAR. Les modèles théoriques sont développés par simulations numériques 3D et par calculs analytiques 1D. Le comportement électrique du TFEAR est décrit par un schéma équivalent, dont les éléments sont exprimés en fonction des paramètres physiques et des pertes des matériaux le constituant. Un facteur de qualité de 2250 sur un TFEAR résonant à 25,79MHz et dont la résistance motionnelle est de 2,1 kOhms a été relevé. Ces mesures ont été complétées par la caractérisation des paramètres physiques de la couche piézoélectrique. Par exemple, des valeurs de coefficient piézoélectrique d33f atteignant 2,6 pm/V ont été relevées (pour un maximum théorique de 3,93 pm/V)

The studied resonator is part of an industrial project carried by NXP Semiconductors. The objective is the realization of a integrable RF MEMS resonator in order to replace quartz in some applications. The compatibility of the manufacturing process with the technologies used by the company and low cost production represent the main challenges of the project. The resonator TFEAR (Thin Film Elongation Acoustic Resonator) is a bar, consisting of a superposition of thin film type Metal/AlN/metal. The piezoelectric properties of aluminum nitride (AlN) are exploited : the application of an alternating electric field, parallel to the thickness of the bar, resulting in propagation of acoustic waves along its length. The sizes of the manufactured resonators correspond to resonant frequencies between 10MHz to 50 MHz. This thesis focuses on modeling and electrical characterization of the TFEAR resonator. The models are developed by 3D numerical simulations and by 1D analytical calculations. The electrical behavior of TFEAR is described by an equivalent circuit which elements are expressed in terms of physical parameters and losses of the constituent materials. A quality factor of 2250 on a 25.79MHz resonant TFEAR which motional resistance is 2.1 kOhms has been noticed. These measurements were completed by the characterization of the physical parameters of the piezoelectric layer. For example, piezoelectric coefficient d33;f values were recorded up to 2.6 pm/V (for a theoretical maximum of 3.93pm/V)