Simulation and characterization of multi-layered surface acoustic wave devices for filtering and sensing applications

par Hugo Chambon

Thèse de doctorat en Acoustique et Vibrations : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)

Sous la direction de Mohamed Ali Hamdi, Ayech Benjeddou et de Pascal Nicolay.

Soutenue le 10-10-2019

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Simulation et caractérisation de dispositifs SAW multicouches pour des applications de filtrage et de détection


  • Résumé

    Cette thèse porte sur la conception et la caractérisation de micro-dispositifs à ondes acoustiques multicouches. La cinquième génération de communication (5G) nécessite des résonateurs acoustiques plus performants (fréquences > 3GHz, bande passante plus large). Dans ce contexte, nous avons conçu et optimisé par simulation FEM la géométrie de résonateurs à ondes de Lamb à base d’AlScN. Le dispositif final, constitué d’une couche composée de 30% de Sc et déposée sur un miroir de Bragg W/SiO2, montre d’excellentes performances (coefficient de couplage de 5% et facteur de qualité de 768) et un bon accord avec la simulation. Pour caractériser la surface de BAW et SAW sur la gamme de fréquence 5G, nous avons également conçu et développé un interféromètre hétérodyne. Ce dernier a été utilisé avec succès pour caractériser des vibrations de surface d'une amplitude comprise entre 1 et 10 pm à 5,95 GHz. Par ailleurs, grâce à leur robustesse et leur capacité à être interrogé sans-fil, les capteurs SAW sont utilisés dans des environnements difficiles et suscitent un grand intérêt pour les applications médicales et de contrôle de santé intégré. Récemment, l’introduction d’empilements multi-matériaux offre de nouvelles opportunités de développements. Nous avons ainsi étudié un capteur de pression composé de deux couches complémentaires, ainsi qu'un capteur dit package-less utilisant des couches d’impédances acoustiques différentes. Pour concevoir ces nouveaux capteurs, nous avons développé un outil de simulation reposant sur l'extraction de paramètres de couplage de modes et tenant compte des effets de la température, des contraintes et des déformations pour estimer leur sensibilité.


  • Résumé

    This thesis deals with the design and characterization of multilayer acoustic wave micro-devices. The fifth generation of communication (5G) requires more efficient acoustic resonators (frequencies > 3GHz, wider bandwidth). In this context, we have designed and optimized using FEM simulation, the geometry of Lamb wave resonator based on AlScN. The final device, consisting of a layer composed of 30% Sc and deposited on a Bragg W/SiO2 mirror, shows excellent performance (coupling coefficient of 5% and quality factor of 768) as well as a good agreement with the simulation. To characterize the surface of BAW and SAW over the 5G frequency range, we also designed and developed a heterodyne interferometer. The latter has been used successfully to characterize surface vibrations with amplitudes between 1 and 10 pm at 5.95 GHz. Furthermore, thanks to their robustness and ability to be wirelessly interrogated,SAW sensors are used in harsh environments and are of great interest for medical applications and structural health monitoring. Recently, the introduction of multi-material stacks offers new development opportunities. We thus studied a pressure sensor composed of two complementary layers, as well as a so-called package- less sensor using different acoustic impedance layers. To design these new sensors, we have developed a simulation tool based on the extraction of mode coupling parameters and taking into account the effects of temperature, stresses and strains to estimate their sensitivity.


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