L'oscillateur HBAR à vieillissement contrôlé et faible consommation

HBAR oscillator with controlled aging and low power consumption

• Auteur / Autrice : Einstein Giner Huayanay Ostos
• Direction : Thomas Baron, Vincent Candelier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 03/12/2025
• Etablissement(s) : Besançon, École Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques
• Ecole(s) doctorale(s) : SPIM - Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Jury : Président / Présidente : Vincent Laude
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Aubert, Mihai Bogdan Lazar
• DOI : 10.70675/f9d631fezd65bz4650z88fbzbb2c9e2bdc8a

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oscillateurs

Mots clés libres

Oscillateur

HBAR

Résonateur

Résonateur à couplage latéral

Microfabrication

Télécommunications

Résonateur à ondes élastiques de volume à harmoniques élevés

Oscillator

HBAR

Resonator

Laterally coupled resonator

Micromanufacturing

Telecomunications

High-overtone Bulk Acoustic Resonators

Résumé

Cette thèse s’inscrit dans le développement de résonateurs et oscillateurs pour les télécommunications, où la montée en fréquence et la stabilité restent des enjeux majeurs. L’objectif principal était de concevoir, fabriquer et valider un résonateur HBAR fonctionnant autour de 1 GHz, répondant aux contraintes de miniaturisation, de faible consommation et de robustesse mécanique. Après une étude comparative des principales technologies (SAW, MEMS, DRO, BAW, FBAR, SMR), la technologie HBAR a été retenue pour son facteur de qualité élevé, sa capacité à fonctionner à haute fréquence et sa compatibilité avec les procédés de micro-fabrication. Plusieurs configurations de HBAR ont été étudiées. L’un des empilements proposés est sur une configuration de HBAR en LiNbO₃/quartz, celle-ci offre une bonne stabilité fréquentielle et de faibles pertes d’insertion. La fabrication a été réalisée par collage et amincissement de plaques, permettant d’obtenir les épaisseurs et orientations optimales. Plus de 2 000 résonateurs ont été produits, avec des performances conformes aux simulations (Q > 6 000, CTF ≈ - 5 ppm/°C, pertes d’insertion < 12 dB). Plusieurs défis ont été surmontés, notamment l’inhomogénéité des épaisseurs, les pertes d’insertion dues aux pads, et la gestion des fissures dans le matériau piézoélectrique, grâce à des techniques de trimming, à l’optimisation de la géométrie des électrodes et à la réduction des contraintes thermomécaniques. Un défi fondamental a été la sélection d’un harmonique unique parmi la multitude présente dans le spectre HBAR. Une méthode innovante, basée sur l’injection d’une fréquence ou phase externe et sur le principe de moiré, a été développée et validée par simulation. Enfin, la thèse a permis de proposer un premier dessin de résonateur HBAR répondant au cahier des charges, ainsi qu’une architecture permettant la sélection précise d’un seul harmonique autour de 1 GHz.

This PhD focuses on the development of resonators and oscillators for telecommunications, where increasing frequency and maintaining stability are major challenges. The main objective was to design, fabricate, and validate an HBAR resonator operating around 1GHz, meeting requirements for miniaturization, low power consumption, and mechanical robustness.After a comparative study of key technologies (SAW, MEMS, DRO, BAW, FBAR, SMR), the HBAR technology was selected for its high-quality factor, ability to operate at high frequencies, and compatibility with microfabrication processes. Several HBAR configurations were investigated, One of the proposed configuration was the HBAR on LiNbO₃/quartz, which provides a good frequency stability and low insertion losses.Fabrication was achieved through wafer bonding and thinning, enabling optimal thicknesses and orientations.Over 2,000 resonators were produced, with performances matching simulations (Q>6,000, TCF≈-5ppm/°C, insertion losses <12dB). Several challenges were overcome, including thickness uniformity, insertion losses due to pads, and the management of cracks in piezoelectric material, thanks to trimming techniques, electrode geometry optimization, and reduction of thermomechanical stresses.A fundamental challenge was the selection of a single harmonic among the many presents in the HBAR spectrum. An innovative method was developed, based on injecting an external frequency or phase and using the moiré principle, which was validated by simulation. Finally, the thesis led to the proposal of a first HBAR resonator design meeting the main requirements, as well as an architecture enabling precise selection of a single harmonic around 1GHz.