Analysis by “reverse engineering” methods of ultra-table piezoelectric resonators and noise modelling.
Analyse par des méthodes de “reverse engineering” de résonateurs piézoélectriques hautes performances et modélisation du bruit
Résumé
Bulk Acoustic Wave Resonators (BAW) have been studied in Time and Frequency domain for a long time, particularly at FEMTO-ST. They have an essential role in many metrological applications such as in positioning devices like GPS, Glonass, Galileo, etc. This thesis work presents the passive technic used for phase noise measurement in high-performance BAW resonators. These resonators were fabricated by several European manufacturers and provided for the thesis work by CNES for reverse engineering investigations.The work begins with recalling the basics of piezoelectricity in quartz and noise in ultra-stable resonators.The second part of the work gives details on noise measurement by carrier suppression technic with an alternative technic for low impedance resonators (< 10 ohms).The third part is about the comparison of Steven-Tiersten’s model with our phase noise measurement results at different temperatures and classification of resonators according to their short-term stability. A finite element simulation is used to compare the theory and experimental results.The fourth part presents tests using Mittag-Leffler distribution and stable distributions of a model of phase noise due to power law intermittency.Finally, the “reverse engineering” work is carried out by dismantling some resonators for defects analysis using X-rays diffraction and laser scattering. This revealed macroscopic imperfections and a few dislocations which could be a possible cause for phase noise in the resonators. This will have to be confirmed and quantified with other resonators.
Les résonateurs à ondes acoustiques de volume (BAW) ont été étudiés dans le domaine temps-fréquence à FEMTO-ST depuis longtemps et ont montré un rôle essentiel dans de nombreuses applications métrologiques telles que dans les dispositifs de positionnement comme GPS, Glonass, Galileo, etc. Ce travail de thèse présente la technique passive utilisée pour des mesures du bruit de phase dans les résonateurs BAW à quartz. Les résonateurs BAW de hautes performances ont été fabriqués par plusieurs fabricants européens et fournis par le CNES pour une étude de “reverse engineering” durant cette thèse. Le manuscrit commence par rappeler les bases de cristallographie du quartz, de piézoélectricité et de caractérisation du bruit dans les résonateurs ultra-stables. La deuxième partie du travail donne des détails sur la mesure de bruit dans les résonateurs par une technique de suppression de porteuse et sur une adaptation pour les résonateurs LGT d’impédance très faible (< 10 ohms).La troisième partie concerne l’interprétation avec le modèle de Steven-Tiersten des résultats de mesures du bruit de phase à différentes températures et leur classification en fonction du bruit. Une simulation par méthode d’éléments finis (FEM) permet de comparer ces résultats avec la théorie de Steven-Tiersten. La quatrième partie, présente un test de modélisation du bruit de phase à l'aide d’un modèle d’intermittence. Des comparaisons de nos résultats avec la distribution de Mittag-Leffler ainsi que des distributions stables semblent indiquer un rejet du modèle d’intermittence en loi de puissance, dans notre cas. Enfin, le travail de “reverse engineering” est réalisé en démontant les résonateurs pour l'analyse des défauts par diffraction des rayons X et diffusion laser. Le démontage du résonateur a révélé des imperfections macroscopiques. Les résultats préliminaires de diffraction des rayons X montrent la présence de dislocations qui pourraient être une cause de bruit de phase dans les résonateurs. Ceci devra être confirmé sur d’autres résonateurs.
Origine : Version validée par le jury (STAR)