Ondes élastiques de volume : FBAR

Les résonateurs FBAR consistent en une très ne couche de matériau piézoélec- trique excitée de part et d'autre par des électrodes en métal. Cette approche est pro- metteuse du point de vue de la miniaturisation et de la fréquence de fonctionnement, supérieure au GHz. Les résonateurs FBAR se fondent sur le même principe de fonc- tionnement que les microbalances à quartz. Cependant, ces résonateurs exploitent généralement des ondes élastiques longitudinales compte tenu de l'orientation cris- talline du nitrure d'aluminium (AlN), matériau piézoélectrique le plus couramment utilisé pour la réalisation de FBARs. Cette polarisation ne permet donc pas d'utiliser des transducteurs FBAR dans les milieux liquides contrairement aux microbalances à quartz qui exploitent les ondes élastiques transverses. La distinction entre FBARs et QCMs se fait sur l'épaisseur de la couche piézoélectrique ainsi que sur les mé- thodes de fabrication. Les résonateurs FBAR ont été développés entre autres par Lakin durant les années 1980 [60] grâce aux avancées des technologies des micro- techniques en salle blanche qui ont permis de telles réalisations. Nous distinguons deux méthodes de fabrication, l'une fondée sur le dépôt du matériau piézoélectrique en une couche mince, la seconde, peu courante, exploitant le rodage et le polissage d'une couche de matériau piézoélectrique reportée sur un substrat [61]. Chacune de ces deux méthodes nécessite le maintien mécanique du résonateur an qu'il puisse être, dans un premier temps fabriqué et dans un deuxième temps, intégré dans un système pour utilisation.

En gure 1.8, nous montrons un exemple de fabrication de résonateur FBAR [62], utilisant l'amincissement (c) de la couche piézoélectrique suite au collage (b) du substrat pour le maintien réalisé après le dépôt de l'électrode inférieure (a).

La méthode schématisée en gure 1.9 regroupe trois catégories de FBAR. La réalisation de ces dispositifs commence par une même étape (a), le dépôt d'une élec- trode sur un substrat, recouverte par le matériau piézoélectrique également déposé, sur lequel est ajoutée la seconde électrode. Nous obtenons ici un FBAR compo- site, qui en dépit d'un faible coecient de couplage électromécanique, présente un facteur de qualité de la résonance permettant d'envisager son utilisation pour des oscillateurs [60]. De ce dispositif, le substrat peut être gravé partiellement (b) ou complètement (c) pour obtenir une structure de membrane semblable à celle de la gure 1.8. La structure (b) présente l'avantage d'être plus solide que la structure (c). Cependant, la structure (c) où seule la couche piézoélectrique est présente, donne

1.3. Détection directe par ondes élastiques 27 Substrat Matériau piézoélectrique Électrode (a) (b) (c)

Figure 1.8  Étapes de fabrication de FBAR par amincissement [61]. (a) dépôt d'une électrode inférieure. En (b) collage du substrat sur la couche piézoélectrique, (c) amincissement de la couche piézoélectrique.

(a) (b) (c) Substrat matériau piézoélectrique Électrodes

Figure 1.9  Étapes de fabrication de FBAR par dépôt en couche mince du ma- tériau piézoélectrique [61]. (a) dépôt d'une électrode inférieure sur le substrat servant de support, suivi du dépôt du matériau pié- zoélectrique en couche mince sur lequel est déposée l'électrode supérieure. (b) gravure partielle du substrat ou (c) complète.

lieu à un résonateur à mode pur, non perturbé par le substrat.

La montée en fréquence de fonctionnement est l'objectif principal de l'utilisation de FBAR. Celle-ci s'obtient par le choix de l'épaisseur de la couche piézoélectrique, comme nous venons de le voir, mais aussi par un choix judicieux de matériau. En eet, ce dernier doit pouvoir être aminci ou bien déposé en ne couche. Selon cette dernière approche, deux matériaux sont généralement utilisés, l'oxyde de zinc (ZnO) et le nitrure d'aluminium (AlN). Ce dernier permet de générer des ondes élastiques dont la vitesse de propagation est de 11500 m/s, alors que le ZnO ne permet d'at- teindre que des vitesses de l'ordre de 6000 m/s soit pratiquement la moitié. En conséquence, l'utilisation de l'AlN permet une épaisseur de la couche piézoélectrique deux fois supérieure à celle du ZnO pour obtenir la même fréquence de résonance. Cela diminue donc la contrainte technologique liée au dépôt de la couche piézoélec- trique.

La détermination de la sensibilité gravimétrique d'un résonateur FBAR n'est pas aussi simple que dans le cas d'une microbalance à quartz. Ici, l'épaisseur de la couche piézoélectrique est très ne, de l'ordre de 2 µm, rendant ainsi l'épaisseur des électrodes non négligeables, de l'ordre de 10 % de la couche piézoélectrique. De plus, la nature et l'épaisseur du substrat, dans le cas de FBARs composites, aectent la sensibilité gravimétrique du résonateur. Une étude a été menée [63] pour qualier

l'inuence des matériaux utilisés sur la sensibilité gravimétrique d'un résonateur composite FBAR dont la couche piézoélectrique est en AlN. Il a été montré que la sensibilité gravimétrique peut atteindre 3000 cm2/g pour une structure optimisée.

De plus, les FBARs composites permettent d'eectuer une mesure gravimétrique compensée des eets de température [64, 65] par un choix approprié d'orientation cristalline des matériaux utilisés.

Les résonateurs FBAR orent une sensibilité gravimétrique intéressante, mais res- tent tout de même fragiles (hormis le cas des SMRs  Solidity Mounted Resonator). La réalisation par dépôt en couche mince de l'AlN ne permet pas, généralement, d'exploiter les ondes élastiques transverses, ce qui ne permet pas d'exploiter les ré- sonateurs FBARs pour la détection en milieux liquides. Ces limitations font que les résonateurs FBARs sont très peu développés pour la détection d'espèces chimiques en phase liquide malgré leur sensibilité gravimétrique.

1.3.4 Ondes élastiques de volume : HBAR  ( High overtone Bulk