Étude, conception et réalisation de résonateurs piézoélectriques pour des applications hautes fréquences

Simulation and design of piezoelectric resonators for high-frequency applications

• Auteur / Autrice : Sylvain Giraud
• Direction : Dominique Cros
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique des hautes fréquences et optoélectronique. Communications optiques et micro-ondes
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Limoges
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cavités résonnantes (microondes)

Matériaux piézoélectriques

Éléments finis, Méthode des

Mots clés libres

Résonateurs piézoélectriques

FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator)

BAW (Bulk Acoustic Wave)

MBVD (Modified Butterworth Van-Dyke)

SMR (Solidly Mounted Resonator)

Mason

Résumé

Ce travail de thèse traite de l'étude, de la conception et de la réalisation de résonateurs piézoélectriques pour des applications hautes fréquences. La technologie BAW (Bulk Acoustic Wave) utilise la propagation des ondes acoustiques suivant l'épaisseur d'une couche de matériau piézoélectrique et représente une alternative intéressante aux technologies existantes. La modélisation mathématique du comportement physique des résonateurs BAW fait intervenir un système d'équations couplées difficilement soluble sans approximations. Des modèles unidimensionnels, basés sur l'approximation d'une propagation en ondes planes, permettent de résoudre ce problème analytiquement et de synthétiser des réponses en fréquence complexes. Nous avons aussi développé un outil de simulation tridimensionnel basé sur la méthode des éléments finis. Ce logiciel permet de calculer la réponse électrique, de prévoir l'apparition de modes transverses parasites et d'étudier des solutions pour leur suppression.

This thesis work was undertaken to simulate and to design piezoelectric resonators for high-frequency applications. BAW (Bulk Acoustic Wave) technology becomes a competing technology as it takes advantage of acoustic waves propagation in piezoelectric material layer thickness direction. Mathematic modelling of BAW resonators physical behavior leads to a differential boundary problem with coupled equations. Approximations are needed to solve this problem. One-dimensional models, based on plane waves propagation, leads to an analytical solution and permits to synthetize filter responses. But, they do not take acoustical transverse propagation into account. Then, we have developed a 3D simulation tool based on finite element method in order to predict and to analyze spurious modes. This software permits to calculate the electrical impedance and to study solutions to avoid spurious modes coupling. Apodized and edge designed top electrode structures have been investigated and validated.