FR3114875A1 - Dispositif à résonateurs - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif à résonateurs pour mesurer une contrainte comprenant au moins deux résonateurs, chaque résonateur comprenant une structure de transducteur interdigité agencée entre deux structures réflectrices sur ou dans un substrat piézoélectrique, caractérisé en ce que les au moins deux résonateurs sont agencés et positionnés de telle sorte qu'ils ont deux directions de propagation d’onde différentes, et chaque résonateur comprend au moins deux partie, la zone entre les deux parties des au moins deux résonateurs formant une cavité, dans lequel la cavité est partagée par les au moins deux résonateurs, et dans lequel pour au moins un résonateur, en particulier tous les résonateurs, la structure de transducteur interdigité comprend un premier matériau et les structures réflectrices un second matériau différent du premier matériau et/ou la structure de transducteur interdigité et les structures réflectrices ont des paramètres géométriques différents. L'invention concerne également un dispositif de détection différentielle comprenant au moins un dispositif à résonateurs tel que décrit précédemment. Figure pour l’abrégé : Fig. 2a
Description
La présente invention concerne un dispositif à ondes acoustiques pour des applications de capteur, et plus particulièrement des capteurs différentiels à ondes acoustiques.
Les capteurs sont de plus en plus importants, et deviennent de plus en plus omniprésents dans la vie de tous les jours. Des systèmes micro-électromécaniques (MEMS) sont une option attractive pour répondre à la demande d'une performance accrue de capteurs en même temps que de tailles et de coûts diminué(e)s. Des capteurs à ondes acoustiques de surface (SAW), et dans une moindre mesure des capteurs à ondes acoustiques de volume (BAW) ou des capteurs acoustiques à ondes de Lamb, ondes de Love ou mode de plaque de cisaillement, offrent des options particulièrement avantageuses du fait d'une large variété de paramètres ambiants mesurables, y compris la température, la pression, l’effort et le couple, par exemple.
Des capteurs à ondes acoustiques utilisent l’effet piézoélectrique pour transduire un signal électrique en une onde mécanique/acoustique. Des capteurs à base de SAW sont construits sur des matériaux piézoélectriques monocristallins, comme du quartz (SiO2), niobate de lithium (LiNbO3), tantalate de lithium (LiTaO3), langasite (LGS), et nitrure d'aluminium (AlN) ou oxyde de zinc (ZnO), déposés sur du silicium. Un transducteur interdigité (IDT) convertit l’énergie électrique d'un signal électrique incident en énergie d'onde acoustique. L'onde acoustique se déplace à travers la surface (ou le volume) d’un substrat de dispositif via ce que l'on appelle une ligne à retard jusqu'à un autre IDT qui reconvertit l'onde acoustique en un signal électrique qui peut être détecté. Dans certains dispositifs, des absorbeurs mécaniques et/ou réflecteurs sont fournis pour empêcher des motifs d'interférence et réduire une perte d'insertion. Dans certains dispositifs, l'autre IDT (de sortie) est remplacé par un réflecteur qui réfléchit l'onde acoustique générée en arrière vers l'IDT (d'entrée) qui peut être couplé à une antenne pour une interrogation à distance du dispositif capteur.
Une classe particulière de capteurs acoustiques comprend des résonateurs présentant des fréquences de résonateur qui varient selon des conditions ambiantes variables. Un résonateur à ondes de surface habituel comprend, par exemple, un transducteur électroacoustique avec des peignes interdigités agencés entre des miroirs de Bragg. À la fréquence de résonance, la condition de synchronisme entre les réflecteurs est satisfaite, rendant possible d'obtenir un ajout cohérent des différentes réflexions, survenant sous les réflecteurs. Un maximum d'énergie acoustique est ensuite observé à l’intérieur de la cavité de résonance et, d'un point de vue électrique, un maximum d'amplitude du courant admis par le transducteur est observé.
Des capteurs à ondes acoustiques différentiels comprennent deux résonateurs ou plus présentant différentes fréquences de résonance, où des différences entre les fréquences mesurées reflètent des variations du paramètre devant être mesuré comme, par exemple, l’effort.
Le capteur différentiel doit être capable de séparer l'origine de la perturbation et de réduire ou de supprimer des contributions provenant d'autres paramètres, comme par exemple des vibrations ou la température.
Ceci nécessite le développement d'un capteur différentiel pour lequel une sensibilité à la température et aux vibrations doit être aussi faible que possible ou rigoureusement égale d'un premier résonateur à un autre, afin de permettre un rejet par une soustraction de signal.
La représente un capteur différentiel à ondes acoustiques de surface selon la technique antérieure. Ce capteur est configuré pour mesurer une contrainte, par exemple sur un objet tournant. Le capteur différentiel à ondes acoustiques de surface 100 comprend deux résonateurs à ondes acoustiques de surface 102, 104 prévus sur un substrat piézoélectrique 106. Chaque résonateur à ondes acoustiques de surface 102, 104 comprend une structure de transducteur interdigité 108, 110 et une paires de structures réflectrices 112, 114, 116, 118. Les structures réflectrices 112, 114 sont agencées de chaque côté de la structure de transducteur interdigité 108 et les structures réflectrices 116 et 118 de chaque côté de la structure de transducteur interdigité 110, dans les deux cas par rapport à la direction de propagation de l'onde acoustique, voir flèches 120, 122, de la structure de transducteur correspondante 108, 110. Les deux résonateurs 102 et 104 sont connectées électriquement l'un à l'autre d'une manière différentielle par deux lignes conductrices 124 et 126.
Les deux résonateurs 102, 104 sont positionnés sur le substrat piézoélectrique 106 avec un angle Ψ de ±45° par rapport à l'axe cristallographique X d'un substrat en Quartz mis en rotation de manière unique 106, correspondant à la direction de propagation habituelle d'une onde de Rayleigh. Ainsi, les deux résonateurs sont perpendiculaires l'un à l'autre.
Chaque résonateur 102, 104 présente un pic de résonance à une fréquence f1, f2, respectivement.
Les résonateurs 102, 104 sont connectés en parallèle, puis connectés à une antenne pour une interrogation sans fil, la mesure différentielle résultant de la différence des fréquences de résonance mesurées simultanément ou séquentiellement.
En alignant un premier résonateur 102, 104 en parallèle avec la direction radiale d'un objet tournant, le capteur différentiel 100 est sensible à une contrainte radiale survenant sur l'objet. Lors de la survenance d'une contrainte radiale, des déformations surviennent dans le capteur, menant à une extension dans le premier résonateur et à une contraction dans l'autre. Ceci mène à des changements avec des signes opposés et typiquement la même valeur absolue, dans les fréquences de résonance. Ainsi, la différence dans les fréquences de résonance change par la somme des deux valeurs absolues. En mesurant la variation de la différence Δf entre les deux fréquences de résonance, il est possible de déterminer la force appliquée, comme la différence Δf est linéairement proportionnelle au couple M. Des effets de variation de température non voulus s'annulent cependant, puisqu'ils vont affecter les deux résonateurs de la même manière.
Cependant, dans le capteur différentiel 100 selon la technique antérieure, l'état de contrainte n'est pas mesuré au niveau du même emplacement par les deux résonateurs 102, 104, ni la température. En conséquence, la mesure peut être affectée de manière contraire par des défauts d’homogénéité dans le matériau de l'objet, menant à des erreurs lors de la détermination de contrainte.
Le but de l'invention et par conséquent de surmonter l'inconvénient mentionné ci-dessus, en ayant pour résultat un dispositif de détection amélioré.
Le but de la présente invention est obtenu par l’intermédiaire d’un dispositif à résonateurs comprenant au moins deux résonateurs, chaque résonateur comprenant une structure de transducteur interdigité (IDT) agencée entre deux structures réflectrices sur ou dans un substrat piézoélectrique, caractérisé en ce que les au moins deux résonateurs sont agencés et positionnés de telle sorte qu'ils ont deux directions de propagation d'onde différentes, et chaque résonateur comprend au moins deux parties, la zone entre les deux parties des au moins deux résonateurs formant une cavité, dans lequel la cavité est partagée par les au moins deux résonateurs et la structure de transducteur interdigité d'au moins un résonateur, en particulier de tous les résonateurs, comprend un premier matériau et la au moins une structure réflectrice comprend un second matériau différent du premier matériau et/ou la structure réflectrice et la structure de transducteur interdigité ont des paramètres géométriques différents. Ainsi, les deux résonateurs du dispositif mesurent au niveau du même emplacement, et la mesure est par conséquent moins influencée par des défauts d’homogénéité dans le matériau sur lequel les résonateurs sont fixés. Ceci est contraire au dispositif de la technique antérieure, où chaque résonateur mesure au niveau d’un emplacement différent.
De plus, en permettant à un concepteur de choisir indépendamment des paramètres de matériau et/ou géométriques des structures réflectrices de l'IDT, les paramètres importants du résonateur comme le couplage électro-mécanique, le facteur de qualité, la réflectivité ou la stabilité en température, peuvent être mieux optimisés puisque plus de degrés de liberté sont permis que dans la technique antérieure utilisant le même métal pour des miroirs et l'IDT, ainsi que la même géométrie. En même temps, le nombre de bandes nécessaires dans les structures réflectrices peut être réduit lorsque la réflectivité est optimisée, en menant à un résonateur plus compact.
Selon une variante, l’impédance acoustique ρCrefdu second matériau et l'impédance acoustique ρCsubdu substrat électrique peuvent être mises en correspondance, de telle sorte que [Math 1] est inférieur à 50 %, en particulier inférieur à 25 %. En choisissant les matériaux de telle sorte que les impédances électriques correspondent, une augmentation de la réflectivité peut être observée.
Selon une variante de l'invention, le premier matériau et le second matériau sont des métaux, en particulier le second matériau est un parmi le platine (Pt), le tungstène (W), le molybdène (Mo) ou le tantale (Ta). L'iridium (lr) ou le zirconium (Zr) pourraient également être utilisés. L'utilisation de métaux simplifie le processus de fabrication, et en particulier des étapes de processus de fabrication par décollage peuvent être utilisées, qui peuvent être suffisamment commandées en particulier lors de l'utilisation de techniques de dépôt par évaporation.
Selon une variante de l'invention, la structure réflectrice peut comprendre une pluralité de bandes métalliques isolées électriquement les unes des autres. Selon encore une autre variante, le second matériau et son orientation cristalline et le matériau du substrat piézoélectrique et son orientation cristalline sont tels que les contributions électrique et mécanique à une réflexion d'ondes acoustiques sont déphasées. Ainsi, des conditions de circuit ouvert sont particulièrement favorables lors de l'utilisation d'une orientation cristalline pour laquelle des effets de réflexion électrique et mécanique ne sont pas en phase, par exemple comme pour des ondes de Rayleigh sur du LiNbO3(YXl)/128° coupé avec des bandes d’Al. Dans ce cas, un effet de combinaison destructeur entre une contribution de réflexion mécanique et électrique peut être empêché.
Selon une variante de l'invention, le second matériau peut être un matériau diélectrique. De manière surprenante, l'utilisation d'un matériau diélectrique pour la structure réflectrice fournit des valeurs de réflectivité même à des températures élevées, en particulier dépassant 500°C, ce qui permet leur utilisation dans des applications de température élevée. La variation de la réflectivité avec la température est également suffisamment basse pour pouvoir fournir des capteurs ayant une sensibilité acceptable dans des applications de température élevée. Un bénéfice est retiré de l'effet de réflexion mécanique, comme il n'y a pas d'effet de réflexion électrique et par conséquent aucun risque de combinaison destructrice. Pour tirer bénéfice de cet effet mécanique, l'onde doit être capable d'entrer dans l'obstacle. Ainsi, une mise en correspondance d'impédance telle qu'expliquée ci-dessus peut supporter la réflexion souhaitée.
Selon une variante de l'invention, le résonateur peut comprendre en outre une couche de passivation fournie uniquement sur la structure de transducteur interdigité du dispositif SAW. La couche de passivation protège les électrodes et améliore ainsi l'intégrité métallique des électrodes d’IDT, en particulier pour des températures supérieures à 500°C.
Selon une variante de l'invention, la couche de passivation et la au moins une structure réflectrice peuvent être constituées du même matériau diélectrique. À la fois la au moins une structure réflectrice et la couche de passivation peuvent par conséquent être fournies pendant la même étape de fabrication. Ainsi, même si des matériaux différents sont utilisés pour l'IDT et la structure réflectrice d'ondes acoustiques, le processus de fabrication peut être maintenu simple.
Selon une variante, le matériau diélectrique peut être de l'oxyde d'aluminium (Al2O3) ou du nitrure de gallium (GaN) ou du nitrure d'aluminium (AlN) ou du langasite (LGS) ou du niobate de lithium (LiNbO3) ou du tantalate de lithium (LiTaO3) ou de l'oxyde de tantale (Ta2O5) ou du dioxyde de silicium (SiO2). Pour ces matériaux, une réflectivité élevée ainsi qu'une stabilité à haute température peuvent être observées.
Selon une variante de l'invention, chacune des au moins deux parties des au moins deux résonateurs peut comprendre au moins une structure réflectrice et une partie de la structure de transducteur interdigité du résonateur correspondant. Le dispositif tel que décrit permet de gérer des parasites dus à des effets de directivité.
Selon une variante de l'invention, la structure de transducteur interdigité du résonateur peut comprendre des électrodes en peigne interdigitées, et dans lequel pour au moins une structure de transducteur des au moins deux résonateurs, lesdites électrodes en peigne interdigitées sont définies par la condition de Bragg donnée par p = λ/2, λ étant la longueur d'onde acoustique de fonctionnement de ladite structure de transducteur et p étant le pas d'électrode de ladite structure de transducteur. Le dispositif tel que décrit permet de gérer des parasites dus à des effets de directivité.
Selon une variante, les deux directions de propagation d'onde différentes des au moins deux résonateurs peuvent former un angle θ l'une avec l'autre, θ étant égal à ±90°, ou moins.
Selon une variante de l'invention, les électrodes de la structure de transducteur interdigité du premier résonateur peuvent être connectées électriquement aux électrodes de la structure de transducteur de l'autre résonateur de manière différentielle. La connexion entre les électrodes des au moins deux résonateurs peut être en parallèle, ou en série, en fonction de leurs conditions de fonctionnement. Ainsi, le dispositif selon l'invention peut fonctionner en résonance ou antirésonance, selon les choix de conception, contrairement au dispositif de la technique antérieure.
Selon une variante de l'invention, au moins l'un des résonateurs peut être agencé et positionné de sorte que sa direction de propagation d'onde est parallèle à l'un des axes cristallins du substrat piézoélectrique.
Selon une variante de l'invention, au moins l'un des résonateurs peut être agencé et positionné de sorte que sa direction de propagation d'onde forme un angle Ψ par rapport à l'un des axes cristallins du substrat piézoélectrique, en particulier un angle Ψ égal à ±45°.
Selon une variante de l'invention, au moins une partie de la surface de la cavité peut être métallisée. Le dispositif tel que décrit permet de filtrer ou sélectionner les modes possibles de la structure, et permet même de fonctionner dans une configuration de modes couplés.
Selon une variante de l'invention, la métallisation de la cavité peut comprendre au moins un ou plusieurs réseaux. Lorsque plus d'un réseau sont présents, les réseaux sont superposés les uns sur les autres. Le dispositif tel que décrit permet de filtrer ou sélectionner les modes possibles de la structure, et permet même de fonctionner dans une configuration de modes couplés.
Selon une variante de l'invention, chacune des structures réflectrices des résonateurs peut comprendre une ou plusieurs bandes métalliques, lesdites bandes métalliques étant connectées les unes aux autres ou connectées à la terre. Ainsi, les résonateurs peuvent également être des dispositifs d'étiquette. De plus, la connexion des bandes métalliques les unes aux autres ou à la terre a pour résultat une amélioration du coefficient de réflexion des structures réflectrices dans la condition de Bragg. Dans la condition de Bragg, les ondes réfléchies dues à une charge électrique et mécanique sont en phase, de sorte qu'un coefficient de réflexion amélioré du réflecteur dans la condition de Bragg a pour résultat une meilleure détection des ondes réfléchies par la structure de transducteur correspondante.
Selon une variante de l'invention, le résonateur peut être un résonateur à ondes acoustiques de surface (SAW), un résonateur à ondes acoustiques de volume (BAW), un résonateur acoustique à ondes de Lamb, à ondes de Love ou à mode plaque de cisaillement.
Le but de l'invention est également atteint par un dispositif de détection différentielle, ledit dispositif de détection peut comprendre au moins un dispositif à résonateurs tel que décrit précédemment. Le dispositif de détection différentielle permet de mesurer à la fois les forces radiales et tangentielles d'une manière différentielle, à savoir que le système de capteur permet de mesurer la contrainte en séparant l'origine de la perturbation, et une immunisation à l’encontre d'autres stimuli comme une température, des vibrations ou une pression.
Selon une variante de l'invention, la direction de propagation d'un premier des résonateurs peut être parallèle ou perpendiculaire à une direction radiale pour détecter une force radiale. Le résonateur permet de mesurer les forces radiales d'une manière différentielle, à savoir que le dispositif de détection permet de mesurer la contrainte en séparant l'origine de la perturbation, et une immunisation à l’encontre d'autres stimuli comme une température, des vibrations ou une pression.
Selon une variante de l'invention, la direction de propagation d'un premier des résonateurs est au moins à un angle Ψ, en particulier à 45° par rapport à une direction radiale pour détecter une force tangentielle. Le résonateur permet de mesurer les forces tangentielles d'une manière différentielle, à savoir que le dispositif de détection permet de mesurer la contrainte en séparant l'origine de la perturbation, et une immunisation à l’encontre d'autres stimuli comme une température, des vibrations ou une pression.
Selon une variante de l'invention, un premier dispositif à résonateurs peut être agencé de telle sorte que sa direction de propagation d'onde est parallèle à l'un des axes cristallins du substrat piézoélectrique, et un premier dispositif à résonateurs peut être agencé de sorte que sa direction de propagation d'onde forme un angle Ψ par rapport à l'un des axes cristallins du substrat piézoélectrique, en particulier un angle Ψ égal à ±45°. Le dispositif de détection différentielle permet de mesurer à la fois les forces radiales et tangentielles d'une manière différentielle, à savoir que le dispositif de détection permet de mesurer la contrainte en séparant l'origine de la perturbation et une immunisation à l’encontre d'autres stimuli comme une température, des vibrations ou une pression.
Selon une variante de l'invention, le dispositif de détection différentielle peut comprendre en outre une antenne connectée au au moins un dispositif à résonateurs.
Selon une variante de l'invention, au moins deux dispositifs à résonateurs différentiels peuvent être fournis sur le même substrat piézoélectrique. Par conséquent, le processus de fabrication va être simplifié et plus rapide par rapport au dispositif de la technique antérieure pour lequel chaque capteur différentiel est fabriqué sur un substrat séparé, comme les capteurs différentiels partagent les mêmes caractéristiques et dimensions structurelles.
La présente invention peut être mieux comprise en se reportant la description qui suit, effectuée en association avec les dessins annexés, où des références numériques identiques identifient des caractéristiques de l'invention.
La présente invention va maintenant être décrite de manière plus détaillée en utilisant des modes de réalisation avantageux à titre d’exemple et en se reportant aux dessins. Les modes de réalisation décrits sont simplement des configurations possibles, et il convient de garder à l'esprit que les caractéristiques individuelles telles que décrites ci-dessus peuvent être fournies indépendamment les unes des autres ou peuvent être totalement omises pendant la mise en pratique de la présente invention.
La représente un dispositif à résonateurs selon un premier mode de réalisation de l'invention. Dans ce qui suit, le dispositif à résonateurs va être décrit comme un dispositif à résonateurs à ondes acoustiques de surface (SAW). Selon des variantes, des résonateurs à ondes acoustiques de volume (BAW), des résonateurs à ondes de Lamb ou à ondes de Love ou à mode plaque de cisaillement pourraient être utilisés de la même manière selon l'invention.
Sur la , le dispositif à ondes acoustiques de surface 200 comprend deux résonateurs à ondes acoustiques de surface 202, 204 prévus sur ou dans un substrat de propagation d'ondes acoustiques de surface 206. Chaque résonateur à ondes acoustiques de surface 202, 204 comprend une structure de transducteur interdigité (IDT) 208a, 208b et 210a, 210b, chacune enserrée par un couple de structures réflectrices 212, 214 et 216, 218. Les structures réflectrices 212, 214, 216, 218 comprennent un réflecteur avec une ou plusieurs bandes 220, et sont configurées pour refléter l'onde acoustique de surface générée par les structures de transducteur interdigité.
Selon l'invention, les bandes sont réalisées à partir d’un second matériau différent du matériau utilisé pour l'IDT 208a, 208b. Le second matériau peut être un autre type de métal, en particulier du Pt, du W, du Mo ou du Ta. Selon une variante, le second matériau peut être un diélectrique. Selon une variante, le matériau diélectrique peut être de l'oxyde d'aluminium (Al2O3) ou du nitrure de gallium (GaN) ou du nitrure d'aluminium (AlN) ou du langasite (LGS) ou du niobate de lithium (LiNbO3) ou du tantalate de lithium (LiTaO3) ou de l'oxyde de tantale (Ta2O5) ou du dioxyde de silicium (SiO2).
Ici, les structures réflectrices 212, 214, 216, 218 sont agencées avec un espace par rapport aux structures de transducteur interdigité 208a, 208b, 210a, 210b. Dans une variante de l'invention, aucun espace ne peut être présent entre les structures réflectrices et la structure de transducteur, de sorte que la structure réflectrice peut être considérée comme continuant la structure périodique de transducteur interdigité d'une manière synchrone, c'est-à-dire avec la même période et le même rapport d'aspect, ou asynchrone. Les paramètres géométriques de la structure réflectrice peuvent être différents par rapport à l'IDT. C'est-à-dire que le rapport d'aspect a/p et/ou la hauteur h ou le pas p pourraient être différents pour l'IDT et pour la structure réflectrice pour optimiser le comportement du résonateur.
Dans une autre variante, la au moins une des structures réflectrices 212, 214, 216, 218 comprend plus d’un réflecteur, les réflecteurs pouvant avoir le même nombre de bandes 220, ou pas.
Dans la variante de l'invention, lors de l'utilisation de bandes métalliques 220 dans les structures réflectrices 212, 214, 216, 218, elles peuvent être connectées les unes aux autres, étant ainsi raccourcies. Ceci peut avoir pour résultat une amélioration du coefficient de réflexion des structures réflectrices dans la condition de Bragg par rapport à des structures réflectrices isolées électriquement. Dans la condition de Bragg, les ondes réfléchies dues à des charges électrique et mécanique sont en phase, de sorte qu'un coefficient de réflexion amélioré du réflecteur dans la condition de Bragg a pour résultat une meilleure détection des ondes réfléchies par la structure de transducteur correspondante. Cependant, il existe une situation dans laquelle il peut être préféré d'isoler les bandes métalliques pour empêcher une interférence destructrice entre la contribution mécanique et la contribution électrique à la réflectivité.
Les structures de transducteur 208a, 208b, et les structures de transducteur 210a, 210b comprennent chacune deux électrodes en peigne interdigitées 224a, 226a, 224b, 224b et 240a, 242a, 240b, 242b. Les électrodes 224a, 226a, 224b, 224b et 240a, 242a, 240b, 242b sont formées de tout métal conducteur adapté, par exemple de l'aluminium ou de l'alliage d'aluminium, tant qu'elles sont différentes par rapport aux structures réflectrices. Sur la figure 2a, les électrodes comprennent des doigts. Dans une variante du mode de réalisation, elles pourraient également avoir des doigts divisés, comprenant chacune deux doigts d'électrode ou plus directement adjacents appartenant à la même électrode en peigne. Dans une autre variante, les électrodes en peigne peuvent être inclinées, en permettant une compensation d’orientation de faisceau.
Les structures de transducteur 208a, 208b et 210a, 210b sont également définies par le pas d'électrode p (non représenté), correspondant à la distance de bord à bord entre deux doigts d'électrode voisins d’électrodes en peigne opposées 224a, b et 226a, b et 240a, b et 242a, b. Dans une variante de l'invention, le pas d'électrode p est défini par la condition de Bragg donnée par p = λ/2, λ étant la longueur d'onde acoustique de fonctionnement desdites structures de transducteur 212, 214. Par longueur d'onde acoustique de fonctionnement λ, on comprend que λ est la longueur d'onde acoustique suivant λ = V/f, avec f la fréquence centrale prédéterminée de la structure de résonateur et V la vitesse de phase du mode utilisé. Une telle structure de transducteur, telle que représentée sur la , est également dite être un transducteur interdigité (IDT) à 2 doigts par longueur d'onde.
Dans une variante de l'invention, le transducteur interdigité 208, 210 peut fonctionner hors des conditions de Bragg, par exemple en utilisant une structure d'excitation de 3 ou 4 doigts par longueur d'onde ou des transducteurs à 5 doigts pour deux longueurs d'onde ou 7 à 8 doigts pour trois longueurs d'onde.
Les structures de transducteur 208a, 208b et 210a, 210b peuvent être symétriques, c'est-à-dire qu'elles peuvent avoir le même nombre de doigts d'électrode avec les mêmes caractéristiques. Cependant, dans une variante de l'invention, elles peuvent également être différentes, et peuvent en particulier avoir un nombre différent de doigts d'électrode et/ou un pas p différent.
Dans une variante de l'invention, les structures de transducteur interdigité 208a, 208b et 210a, 210b peuvent être effilées pour réduire des modes transversaux.
Le substrat 206 sur ou dans lequel les résonateurs 202, 204 sont fournis est un matériau en vrac piézoélectrique, avec des axes cristallographiques X, Y et Z, comme représenté sur la . Le matériau en vrac piézoélectrique 206 décrit ici à titre d'exemple peut être du Quartz, en particulier du Quartz à coupe AT.
Selon une variante de l'invention, le substrat de propagation d'ondes acoustiques 206 sur lequel sont prévus les résonateurs 202, 204 et donc les structures de transducteur 208a, 208b et 210a, 210b et les structures réflectrices 212, 214, 216, 218 peut être un substrat composite 206 ou également appelé substrat piézoélectrique sur isolant (POI). Le substrat composite 206 comprend une couche de matériau piézoélectrique d'une certaine épaisseur, formée au-dessus d'un substrat de base. La couche piézoélectrique peut à titre d'exemple être du tantalate de lithium (LiTaO3) ou du niobate de lithium (LiNbO3). Un exemple d'une telle couche est une couche de LiTaO3(YXl)/42° sur SiO2sur une couche de polysilicium dite riche en pièges disposée sur un substrat de base en Si(100). Ce type de substrat a typiquement une couche piézoélectrique d'une épaisseur de 600 nm, une couche de SiO2de 500 nm et une couche de polysilicium riche en pièges de 1 µm. Ce substrat POI est particulièrement bien adapté pour des ondes de cisaillement, des ondes longitudinales deviennent accessibles en utilisant du LiTaO3(YXlt)/42°/90° comme couche supérieure. Une couche riche en pièges peut améliorer la performance d'isolation du substrat de base et peut être formée par au moins l'un de matériaux polycristallins, amorphes ou poreux, comme par exemple du silicium polycristallin, du silicium amorphe, ou du silicium poreux. On entend par « riche en pièges » une couche qui peut absorber des charges électriques sans toutefois former une couche conductrice.
Selon l'invention, les résonateurs, 202, 240 sont positionnés sur le substrat 206, de sorte qu'ils ont deux directions de propagation d'onde acoustique de surface différentes, mais du fait d'un agencement analogue à une croix des deux résonateurs 202, 204, ils partagent au moins partiellement la même surface sur le substrat 206.
Dans ce mode de réalisation, le premier résonateur 202 est positionné de telle sorte que sa direction de propagation d'onde acoustique est dans la direction cristallographique X du substrat de propagation d'ondes acoustiques 206. Sur la , la direction de propagation de l'onde acoustique du second résonateur 204 est dans la direction cristallographique Z du substrat piézoélectrique 206. Ainsi, la direction de propagation de l'onde acoustique pour le résonateur 204 est tournée d'un angle Θ=90° par rapport à la direction cristallographique X du substrat de propagation d'ondes acoustiques 206, et par rapport à la direction de propagation d'onde acoustique de surface du premier dispositif à résonateurs 202. Sur la figure 1a, l'angle Θ a une valeur de 90°, mais dans une variante du mode de réalisation, l'angle pourrait être différent. Dans une variante, l'angle Θ peut être inférieur à 90°, par exemple avec une variation de ±10°, permettant de corriger des effets comme une orientation de faisceau. Dans ces variantes, cependant, la symétrie avec l'axe cristallographique X demeure toujours pour maintenir des propriétés égales le long des deux directions de propagation.
Dans ce mode de réalisation, en plus de leur direction de propagation d'onde, les résonateurs, 202, 204 ont la même structure géométrique, ce qui signifie que leur structure de transducteur 208a, 208b et 210a, 210b, respectivement, et les structures réflectrices 212, 214, 216, 218 ont les mêmes conceptions et/ou dimensions. Dans une variante du mode de réalisation, elles peuvent avoir une conception différente, par exemple des dimensions différentes et/ou une géométrie différente. Par exemple, les structures réflectrices 212, 214, 216, 218 peuvent être différentes, mais les structures de transducteur 208a, 208b et 210a, 210b sont identiques ou vice versa, ou à la fois les structures réflectrices 212, 214, 216, 218 et les structures de transducteur 208a, 208b et 210a, 210b peuvent être différentes.
Dans ce mode de réalisation, les résonateurs, 202, 204 sont divisés en deux parties, chaque partie d’un résonateur étend séparée de l'autre partie d'une certaine distance d1, d2, respectivement.
La région 222, située entre les parties divisées 202a, 202b et 204a, 204b des deux résonateurs 202, 204, avec ses dimensions définies par la distance d1 et d2, correspond à une cavité acoustique 222, en particulier une cavité acoustique de résonance 222. Sur la , les distances d1 et d2 sont identiques, mais dans une variante du mode de réalisation, elles peuvent être différentes.
Dans ce mode de réalisation, les deux parties divisées 202a, 202b du résonateur 202 sont également symétriques par rapport à la cavité 222 et identique l'une à l'autre, de sorte que la cavité 222 est réellement positionnée dans la partie centrale du résonateur, 202. Dans une variante du mode de réalisation, les deux parties divisées 202a, 202b du résonateur 202 ne sont pas identiques et/ou symétriques par rapport à la cavité 222.
Dans ce mode de réalisation, en outre, les deux parties divisées 204a, 204b du résonateur 204 sont également symétriques par rapport à la cavité 222 et identiques l'une à l'autre, de sorte que la cavité 222 est réellement positionnée dans la partie centrale du résonateur 204. Ainsi, sur la figure 1a, la cavité 222 est une cavité centrale commune aux deux résonateurs 202, 204.
Dans ce mode de réalisation, en outre, les parties divisées 202a, 202b et 204a, 204b des deux résonateurs 202, 204 sont symétriques par rapport à la cavité 222 et identiques. Dans une variante du mode de réalisation, les parties divisées 202a, 202b et 204a, 204b des résonateurs 202, 204 ne sont pas identiques et/ou symétriques par rapport à la cavité 222.
Les résonateurs 202, 204 sont divisés de telle manière que la structure de transducteur du résonateur est en fait divisée en deux parties 208a et 208b et 210a et 210b. Ainsi, chaque partie divisée, 202a, 202b, 204a, 204b des résonateurs 202, 204 comprend en fait une structure réflectrice et une partie divisée de la structure de transducteur du résonateur respectif. Ainsi, la partie divisée 202a du résonateur 202 comprend la structure réflectrice 212 et la partie divisée 208a de la structure de transducteur. La partie divisée 202b du résonateur 202 comprend la structure réflectrice 214 et la partie divisée 208b de la structure de transducteur. La partie divisée 204a du résonateur 204 comprend la structure réflectrice 216 et la partie divisée 210a de la structure de transducteur. La partie divisée 204b du résonateur 204 comprend la structure réflectrice 218 et la partie divisée 210b de la structure de transducteur.
Dans une variante du mode de réalisation, le résonateur est divisé entre une première structure réflectrice et la structure de transducteur. Ainsi, une première partie divisée des deux parties divisées du résonateur comprend la structure de transducteur entière avec une structure réflectrice, et l'autre partie l'autre structure réflectrice.
La représente un dispositif à ondes acoustiques de surface selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Des éléments portant la même référence numérique que sur la ne vont pas être décrits à nouveau de manière détaillée, puisqu'ils correspondent à ceux déjà décrits ci-dessus.
Contrairement au premier mode de réalisation, les deux résonateurs, 202, 204 du capteur à ondes acoustiques de surface 300 sont maintenant positionnés à un angle Ψ par rapport à la direction de propagation acoustique X du substrat piézoélectrique 306 par rapport au capteur à ondes acoustiques de surface 200 du premier mode de réalisation. Il s’agit de la seule différence par rapport au premier mode de réalisation.
Ainsi, la direction de propagation de l'onde acoustique pour le résonateur 202 est tournée d'un angle Ψ par rapport à la direction cristallographique X du substrat de propagation d'ondes acoustiques 306.
Le résonateur 204 est toujours positionné sur le substrat de propagation acoustique 206 à un angle Θ = 90°. Dans une variante du mode de réalisation, une autre valeur de Θ différente de 90°, par exemple inférieure à 90°, pourrait être utilisée, ce qui permettrait de corriger des effets comme une orientation de faisceau.
La représente un troisième mode de réalisation selon l’invention sur la base du capteur 200 selon le premier mode de réalisation. Dans ce mode de réalisation, les deux résonateurs sont connectés électriquement d'une manière différentielle, formant ainsi un dispositif à résonateurs différentiel 350. Cette configuration peut être utilisée pour mesurer une contrainte, par exemple, du fait de la présence de forces radiales. Des éléments portant la même référence numérique que sur la ne vont pas être décrits à nouveau en détail, puisqu'ils correspondent à ceux déjà décrits ci-dessus.
Dans ce mode de réalisation, les électrodes en peigne 224a, 242a, 226b et 240 sont connectées électriquement par la ligne conductrice 356, et les électrodes en peigne 224b, 242b, 226a et 240a sont connectées électriquement par la ligne conductrice 358 pour former un agencement différentiel. Les résonateurs 202, 204 sont ainsi connectés en parallèle, et le dispositif à résonateurs 350 fonctionne en résonance.
Dans une variante de l'invention, les deux résonateurs peuvent être connectés en série, et le dispositif à résonateurs fonctionne en anti-résonance.
Le dispositif à résonateurs 350 selon le troisième mode de réalisation permet de positionner une zone de test dans la cavité centrale partagée par les deux résonateurs et d'effectuer une mesure au niveau du même emplacement par les deux résonateurs, en produisant une amélioration de la qualité de mesure et également une meilleure immunité à l’encontre d’effets de contrainte parasites par rapport au dispositif de la technique antérieure décrit sur la .
Sur la , les deux directions de propagation de résonateur, indiquées par des flèches 352, 354, sont respectivement parallèle et perpendiculaire à la direction d'une force radiale appliquée Fr produisant des contraintes égales et opposées pour les deux résonateurs 202, 204. Ici, les deux composantes d’effort principales dans le substrat, 206 sont alignées avec les deux composantes d’effort principales dans l'objet du fait d'une contrainte radiale externe. Les directions de propagation des ondes acoustiques de surface se propageant à travers les résonateurs respectifs 202 et 204 peuvent être respectivement alignées avec chacune des deux composantes d’effort principales du substrat 206 et les deux composantes d’effort principales de l'objet du fait d'une contrainte externe. Ainsi, lorsqu'une contrainte est appliquée, l'un des résonateurs va être en tension, et l'autre va être en compression. Par conséquent, leurs fréquences de résonance f1, f2 vont changer dans des directions opposées. En détectant le changement de la différence Δf entre les deux fréquences de résonance, il est possible de trouver le couple appliqué M, comme la différence Δf est linéairement proportionnelle au couple M.
Détecter le changement de la fréquence de résonance Δf permet de supprimer un certain nombre de facteurs d'interférence de mode commun et réduit des variations dues à une température, pouvant s’annuler dans l'agencement de détection différentielle.
La représente le quatrième mode de réalisation selon l'invention, dans lequel le capteur SAW 300 selon le deuxième mode de réalisation est configuré pour mesurer la contrainte due à des forces tangentielles. Dans ce mode de réalisation, les deux résonateurs 202 et 204 sont connectés électriquement d'une manière différentielle, en formant ainsi un dispositif à résonateurs différentiel 370. Cette configuration peut être utilisée pour mesurer une contrainte, par exemple due à la présence de forces tangentielles. Des éléments portant la même référence numérique que sur la et 2b ne vont pas être décrits à nouveau de manière détaillée, puisqu'ils correspondent à ceux déjà décrits ci-dessus.
Dans ce mode de réalisation, les électrodes en peigne 224a, 242a, 226b et 240 sont connectées électriquement par la ligne conductrice 376, et les électrodes en peigne 224b, 242b, 226a and 240a sont connectées électriquement par la ligne conductrice 378 pour former un agencement différentiel. Les résonateurs 202, 204 sont ici connectés en parallèle, et le dispositif à résonateurs 370 fonctionne en résonance.
Dans une variante de l'invention, les deux résonateurs peuvent être connectés en série, et le dispositif à résonateurs fonctionner en anti-résonance.
Le dispositif à résonateurs 370 selon le quatrième mode de réalisation permet de positionner une zone de test dans la cavité centrale partagée par les deux résonateurs et d'effectuer une mesure au niveau du même emplacement par l'intermédiaire des deux résonateurs, en produisant une amélioration de la qualité de mesure et également une meilleure immunité à l'encontre d’effets de contrainte parasites par rapport au dispositif de la technique antérieure décrit sur la figure 1.
Sur la , les deux directions de propagation de capteur sont indiquées sur la par des flèches 372 et 374. Dans le mode tangentiel, la contrainte est orthogonale à la direction radiale. Il convient de considérer que la force tangentielle est exercée sur le bord de l'objet, sa partie centrale étant bloquée. Par conséquent, du fait de la réaction de la partie fixée, tout se produit comme dans le cas d'un couple. Projeter la force résultante sur les deux résonateurs produit un effet de compression pour un premier résonateur et un effet d'extension pour l'autre résonateur, en produisant ainsi un mode différentiel.
Les résonateurs 202, 204 du dispositif SAW 370 sont disposés sur un substrat piézoélectrique 206, de sorte que les ondes acoustiques de surface se propagent à un angle Ψ de ±45° par rapport à l'axe cristallographique X du substrat piézoélectrique 206. À cet angle, la contribution de variations de température de constantes élastiques de troisième ordre du substrat 206 à la variation de température de la sensibilité de force est sensiblement égale et opposée à la somme totale de variations dans un coefficient d'expansion de température linéaire, de constantes élastiques de troisième ordre non nulles, d’une variation de température de contributions provoquées par des constantes élastiques de premier ordre, et de variations de température de densité de substrat. Ainsi, le dispositif à résonateurs 370 obtient une réduction de variation de sensibilité de force tangentielle avec la température.
Le dispositif à résonateurs selon l'invention peut ainsi fonctionner comme un capteur différentiel en mode différentiel pour séparer les deux effets mécaniques considérés de forces radiale, voir , et tangentielle, voir ).
La montre la simulation d'admittance électrique d'un dispositif à ondes acoustiques de surface non conforme à l'invention, mais utile pour sa compréhension, similaire à celle illustrée sur la . Ici, l'IDT et la structure réflectrice utilisent le même matériau. Pour cette simulation, un substrat de quartz avec une coupe (YXlt)/39°/±45° a été utilisé. L'ouverture des deux résonateurs est de 300 µm, la longueur de la cavité est de 361 µm, le pas dans la structure de transducteur inter-digité du premier résonateur est de 3,74 µm et de 3,743 µm dans le miroir, et pour le second résonateur, ces valeurs sont de 3,735 µm et 3,738 µm, respectivement. Pour réduire une résonance parasite sur la signature spectrale de résonateur, de petits espaces (300 nm et 500 nm) ont été introduits entre les structures de transducteur et les miroirs associés. L'épaisseur de métal (AlCu) est de 245 nm. Tous les réseaux fonctionnent aux conditions de Bragg. Les miroirs sont composés de 300 bandes et les résonateurs de 120 (2x60) et 140 (2x70) paires de doigts pour une mise en correspondance d'impédance et les résonateurs sont inclinés pour compenser l’orientation de faisceau (4°). Les deux résonateurs du dispositif à ondes acoustiques de surface sont positionnés à un angle de 90° l'un par rapport à l'autre, donc dans une formation de type croix. De plus, les deux résonateurs sont positionnés à un angle de ±45° par rapport à la direction de propagation X du substrat de quartz. Les résonateurs sont divisés à l'identique en deux parties, les deux parties étant symétriques l'une par rapport à l'autre et une cavité acoustique centrale partagée par les deux résonateurs peut être vue, comme décrit sur les figures 2a et 2b.
Le graphique d’admittance électrique trace la conductance (S) et la susceptance (S) sur l'axe Y droit et gauche respectivement en fonction de la fréquence (MHz) sur l'axe X. Comme deux résonateurs sont présents, deux pics de résonance sont visibles dans le graphique d’admittance électrique, légèrement au-dessus de 434 MHz et légèrement au-dessus de 434,3 MHz, respectivement, pour la partie réelle de l’admittance (conductance G) et la partie imaginaire de l’admittance (susceptance B). Les deux pics de résonance sont équilibrés pour approcher une correspondance de 50 Ω dans la bande ISM centrée à 434 MHz.
Lorsqu'une force radiale est appliquée au dispositif, comme dans le troisième mode de réalisation de l'invention tel que représenté sur la , la force radiale appliquée Fr produit des contraintes égales et opposées pour les deux résonateurs 202, 204. Ici, les deux composantes d’effort principales dans le substrat 206 sont alignées avec les deux composantes d’effort principales dans l'objet du fait de la contrainte appliquée. Les directions de propagation des ondes acoustiques de surface se propageant à travers les résonateurs respectifs 202 et 204 sont respectivement alignées avec chacune des deux composantes d’effort principales du substrat 206 et des deux composantes d’effort principales de l'objet du fait d'une contrainte. Ainsi, lorsqu'une contrainte radiale est appliquée, un premier des résonateurs va être en tension, et l'autre va être en compression. En résultat, leurs fréquences de résonance f1, f2 vont changer dans des directions opposées, comme représenté sur la figure 1b avec les flèches des cas a) et b). Le changement de Δf entre les deux pics de résonance est alors proportionnel à la force F appliquée.
Contrairement à la technique antérieure, les résonateurs 202 et 204 ont une cavité commune 222, qui correspond à l'emplacement ou la mesure est réalisée pour les deux résonateurs 202, 204. Ainsi, les deux résonateurs vont mesurer au niveau du même emplacement et une valeur plus précise de la force appliquée va être obtenue, par rapport à la valeur obtenue avec un dispositif de la technique antérieure tel que représenté sur la figure 1a.
Lorsque, de plus, différents matériaux sont utilisés pour l'IDT et les structure réflectrices, la taille du dispositif peut être réduite car la réflectivité peut être optimisée de manière indépendante par rapport aux propriétés de l'IDT.
La représente un dispositif de détection selon un cinquième mode de réalisation de l'invention.
Sur la , les dispositifs de détection 400 comprennent deux capteurs différentiels 353 et 370 selon les troisième et quatrième modes de réalisation de l'invention, respectivement.
Dans le mode de réalisation de la , les capteurs différentiels 350 et 370 sont positionnés chacun sur un dé de quartz, 402, 404. Dans une variante du mode de réalisation, le même dé de quartz pourrait comprendre les deux capteurs différentiels 353 et 370. Ils ne sont pas décrits à nouveau de manière détaillée, mais il est fait référence à leur description ci-dessus.
Les deux dés de quartz 402, 404 sont positionnés sur un objet 406, afin de mesurer par exemple la contrainte générée par des forces tangentielles et radiales sur l'objet 406. Sur la , l'objet est une roue. Les dés de quartz 402 et 404 sont positionnés sur la même ligne radiale 408, le dé de quartz 404 plus proche du centre de l'objet 406 que le dé de quartz 402. Les positions des dés de quartz sur l'objet 406 pourraient également être échangées de sorte que le dé de quartz 402 soit celui plus proche du centre de l'objet 406.
Les dés de quartz 402, 404 sont collés sur l'objet 406, qui comprend une plaque d'acier dans cette position, avec de la colle cyanoacrylate (liaison M 200), mais toutes autres colles ou techniques de fixation à l'état solide pourraient être utilisées.
Les résonateurs, 202, 204 sont divisés en deux parties, comme décrit dans les troisième et quatrième modes de réalisation, de sorte que les capteurs différentiels 353 et 370 comprennent chacun une cavité centrale 222, partagée par les deux résonateurs 202, 204 de chaque capteur 350, 370.
Dans ce mode de réalisation, le capteur différentiel 370 est configuré pour mesurer la contrainte sur l'objet 406 du fait des forces tangentielles, tandis que l'autre capteur différentiel 350 est configuré pour mesurer la contrainte sur l'objet 406 du fait de forces radiales, comme expliqué ci-dessus.
Les deux capteurs différentiels 350, 370 sont connectés à une antenne 410, pour transmettre les mesures. Dans une variante du mode de réalisation, chaque capteur différentiel peut avoir sa propre antenne.
Selon l'invention, la contrainte résultant des forces appliquées à l'objet 406 et détectées par les capteurs 350, 370 est mesurée au niveau du même emplacement au niveau de la cavité centrale 222 pour chaque capteur 350, 370, en produisant une amélioration de la qualité de mesure et une meilleure immunité à l’encontre d’effets de contrainte parasites.
Dans une variante, le dispositif de détection 400 peut comprendre plus de deux capteurs différentiels selon l'invention.
Dans une autre variante de l'invention, le dispositif de détection 400 peut être appliqué à tout autre objet, et pas uniquement à une roue, afin de mesurer de manière concomitante la contrainte due aux forces radiales et tangentielles subies par l'objet. D'autres paramètres physiques, en dehors de la contrainte, peuvent également être mesurés à l’aide du dispositif de détection 400. Par exemple, des effets de torsion et un couple peuvent également être mesurés, ou tout autre paramètre physique ne concernant pas une contrainte.
Dans une autre variante de l'invention, le dispositif de détection 400 peut mesurer la contrainte due aux forces radiales et tangentielles subies par l'objet au niveau du même emplacement. Les quatre résonateurs du dispositif de détection vont partager la même cavité de résonance.
La représente la simulation d'admittance électrique du dispositif de détection non selon l’invention, mais utile pour sa compréhension. Le dispositif de détection 400 tel que représenté sur la comprend deux capteurs différentiels 350, 370, chacun comprenant deux résonateurs 202, 204. Le capteur différentiel 350 est essentiellement conforme au troisième mode de réalisation tel que décrit sur la , et le capteur différentiel 370 est essentiellement conforme au quatrième mode de réalisation tel que décrit sur la . Cependant, des matériaux pour l'IDT et la structure réflectrice sont identiques. L'utilisation de matériaux différents permet de réduire la taille du dispositif comme la réflectivité peut être optimisée indépendamment des propriétés de transducteur.
Le graphique d'admittance électrique trace la conductance (en Siemens - S) et la susceptance (en S) sur l'axe Y droit et gauche, respectivement en fonction de la fréquence (MHz) sur l'axe X. Comme deux capteurs différentiels sont présents, chacun comprenant deux résonateurs, quatre pics de résonance sont visibles dans le graphique d'admittance électrique, légèrement au-dessus et au-dessous de 434 MHz, à la fois pour la partie réelle de l’admittance (conductance G) et la partie imaginaire de l'admittance (susceptance B). Les pics de résonance de chaque résonateur sont équilibrés pour approcher une correspondance de 50 Ω dans la bande ISM centrée à 434 MH.
Les figures 5a à 5d et les figures 6a, 6b et les figures 7a à 7e représentent de multiples variantes du dispositif à résonateurs selon l'invention.
La structure de base correspond au premier des premiers modes de réalisation, et seules les différences par rapport à celui-ci vont être décrites. Ainsi, les caractéristiques communes au premier mode de réalisation de la ne vont pas être décrites à nouveau de manière détaillée, mais il est fait référence à leur description ci-dessus. De plus, les variantes vont être représentées sur la base de la structure du premier mode de réalisation, mais elles peuvent également être appliquées à la structure des deuxième, troisième ou quatrième modes de réalisation.
La représente une variante du premier mode de réalisation de la , où les structures réflectrices 512, 514, 516, 518 des résonateurs 502, 504 comprennent des bandes 520 qui sont connectées les unes aux autres et/ou raccourcies. Ceci a pour résultat une amélioration du coefficient de réflexion des structures réflectrices dans la condition de Bragg. Dans la condition de Bragg, les ondes réfléchies dues à une charge électrique et mécanique sont en phase de sorte qu'un coefficient de réflexion amélioré des structure réflectrices 512, 514, 516 et 518 ou dans la condition de Bragg a pour résultat une meilleure détection des ondes réfléchies par la structure de transducteur correspondante 208a, 208b et 210a, 210b.
Le dispositif à résonateurs 500 tel que décrit dans cette variante permet de gérer des parasites dus à des effets de directivité.
La représente une variante du premier mode de réalisation, où les parties divisées des résonateurs 602, 604 ne sont pas identiques ni symétriques par rapport à la cavité 622. Sur la , la division survient entre la structure de transducteur 208, 210 et l'une des structures réflectrices 212, 216 du résonateur 602, 604, respectivement. La partie divisée 602a du résonateur 602 comprend uniquement la structure réflectrice 212. La partie divisée 602b du résonateur 602 comprend la structure de transducteur entière 208 et la structure réflectrice 214. De manière correspondante, la partie divisée 604a du résonateur 604 comprend uniquement la structure réflectrice 216. La partie divisée 604b du résonateur 604 comprend la structure de transducteur entière 210 et la structure réflectrice 218. La cavité 622 n'est pas parfaitement au centre des deux structures de résonateur 602, 604, mais est toujours partagée par les deux résonateurs 602, 604.
Le dispositif à résonateurs 600 tel que décrit dans cette variante permet de gérer des parasites dus à des effets de directivité.
La représente une variante supplémentaire de la , et ainsi, du premier mode de réalisation, où la structure de transducteur 708, 710 des résonateurs 702, 704 comprend des doigts divisés en tant que moyens d'électrode 728. Les doigts divisés 728 comprennent chacun deux doigts d'électrode directement adjacents 732, 734 appartenant à la même électrode en peigne 724. Ainsi, les structures de transducteur 708, 710 ne fonctionnent pas aux conditions de Bragg.
De plus, les parties divisées des résonateurs 702, 704 sont également différentes et pas symétriques par rapport à la cavité 722, comme les structures réflectrices 712, 714 et 716, 718 ne sont pas identiques dans un résonateur 702, 704, respectivement. Pour le résonateur 702, la structure réflectrice 714 comprend plus de bandes 120 que la structure réflectrice 712 (même chose pour le résonateur 704). Les bandes 120 sont également connectées les unes aux autres. Dans une variante, elles peuvent également ne pas être connectées les unes aux autres.
Ici, comme dans la deuxième variante du premier mode de réalisation, la partie divisée d’un résonateur comprend une structure réflectrice seule, et l'autre partie divisée du résonateur comprend la structure de transducteur complète et l'autre structure réflectrice adjacente à la structure de transducteur. À nouveau, la cavité 722 n'est pas centrale dans les résonateurs 702, 704, mais est toujours partagée par les deux résonateurs 702, 704.
Le dispositif à résonateurs 700 tel que décrit dans cette variante permet de gérer des parasites dus à des effets de directivité.
La représente une variante supplémentaire de la , où les structures de transducteur 708, 810 des résonateurs 702, 804 sont différentes. Le résonateur 702 correspond au résonateur de la , dans lequel la structure de transducteur 708 comprend des doigts divisés 728 en tant que moyens d'électrode, et ainsi ne fonctionne pas dans la condition de Bragg. Au contraire, le résonateur 804 est le même que sur la figure 1a et la structure de transducteur 804 agit dans la condition de Bragg et est un transducteur interdigité (IDT) à 2 doigts par longueur d'onde. À nouveau, comme sur la figure 1a, les parties divisées 804a et 804b du résonateur 804 comprennent chacune une structure réflectrice 716, 818 et une partie de la structure de transducteur 810a, 810b, respectivement. Tandis que pour le résonateur 702, une partie divisée 702a comprend la structure réflectrice 712 et la structure de transducteur entière 708, et l'autre partie divisée 702b comprend uniquement une structure réflectrice 714.
Les bandes 222 des structures réflectrices 712, 714 et 716, 818 sont également connectées les unes aux autres. Dans une variante, elles peuvent également ne pas être connectées les unes aux autres.
Le dispositif à résonateurs 800 tel que décrit dans cette variante permet de gérer des parasites dus à des effets de directivité.
La représente une variante du premier mode de réalisation où la cavité 922 du capteur différentiel 900 est métallisée. La cavité 922 est une cavité centrale, comme représenté sur la figure 1a. La métallisation de la cavité 922 peut être réalisée sur toute la surface, comme représenté sur la , mais elle peut également être réalisée uniquement sur une partie de la surface de la cavité 922. Ainsi, la surface de la cavité 922 peut être métallisée complètement, ou métallisée partiellement.
À nouveau, les bandes 120 des structures réflectrices 212, 214 et 216, 218 sont également connectées les unes aux autres. Dans une variante, elles peuvent également ne pas être connectées les unes aux autres.
Le dispositif à résonateurs 900 tel que décrit dans cette variante permet de filtrer ou de sélectionner les modes possibles de la structure ou permet même de fonctionner dans une configuration de modes couplés.
La représente la variante du premier mode de réalisation où la cavité 1022 du capteur différentiel 1000 comprend un ou plusieurs réseaux 1024, 1026. Le réseau 1024, 1026 peut être un réseau métallique, déposé sur le dessus de la surface de la cavité 1022, ou il peut être également un réseau gravé. Lorsqu'un réseau unique est présent, il peut s’agir d’un réseau monodirectionnel. Lorsque plus d'un réseau sont présents, les réseaux 1024, 1026 peuvent être superposés dans la surface de la cavité 1022, comme représenté sur la . Dans une variante, les réseaux 1024, 1026 peuvent être localisés dans la surface entière de la cavité 1022, ou uniquement partiellement dans la surface de la cavité 1022.
À nouveau, les bandes 120 des structures réflectrices 212, 214 et 216, 218 sont également connectées les unes aux autres. Dans une variante, elles peuvent également ne pas être connectées les unes aux autres.
Le dispositif à ondes acoustiques de surface 1000 tel que décrit dans cette variante permet de filtrer ou sélectionner les modes de la structure, ou permet même de fonctionner dans une configuration de modes couplés.
La représente le capteur différentiel à ondes acoustiques de surface selon une septième variante du premier mode de réalisation.
Dans cette variante, les structures réflectrices des résonateurs 1102, 1104 comprennent une pluralité de réflecteurs, chacun comprenant plus ou moins de bandes 1122. Dans cette variante, les résonateurs 1102, 1104 sont des dispositifs d'étiquette SAW. Des dispositifs d’étiquette SAW sont des capteurs, qui peuvent être interrogés à distance, fournissant une mesure sans fil d'une quantité physique. Quelle que soit cette quantité physique, il est mieux de mettre en place une mesure différentielle pour garantir la mesure d'une quantité physique absolue ou de supprimer des perturbations externes en corrélation affectant le capteur.
Deux étiquettes SAW sont utilisées d'une manière telle que seuls les deux premiers échos sont utilisés pour déterminer la valeur de contrainte, les autres échos pouvant être utilisés comme marques d'identification et/ou comme autres marqueurs d'effet physique (par exemple, température).
Le dispositif d'étiquette SAW 1102 comprend une structure de transducteur 1108, en particulier une seule structure de transducteur, et un ensemble de réflecteurs 1114, 1116 et 1118, positionnés à divers retards sur un côté de la structure de transducteur 1108 dans la direction de propagation X, comme représenté sur la . Ces réflecteurs 1116, 1118 et 1120 comprennent généralement une ou plusieurs bandes 1122. Le dispositif d'étiquette SAW 1102, 1104 comprend également une antenne (non représentée) connectée à la structure de transducteur 1108, 1110.
Le dispositif d'étiquette SAW 1104 est le même que le dispositif d'étiquette SAW 1102, mais avec son ensemble de réflecteurs 1116, 1118 et 1120 positionnés à divers retards sur un côté de la structure de transducteur 1110 dans la direction de propagation Y, comme représenté sur la .
L'étiquette SAW 1102, 1104 est en fait divisée en deux parties 1102a et 1102b, 1104a et b, entre les structures interdigitées 1108, 1110 et le premier réflecteur 1116, de sorte qu'une partie de l'étiquette SAW divisée 1102a, 1104a comprend l'ensemble de réflecteurs 1116, 1118 et 1120 ou une ligne à retard et l'autre partie 1102b, 1104b de l'étiquette SAW 1102, 1104 comprend uniquement la structure de transducteur interdigité 1108, 1110.
Les structures de transducteur interdigité 1108, 1110 fonctionnent dans des conditions de Bragg mais pourraient fonctionner en dehors de cette condition, les réflecteurs 1114, 1116 et 1118 étant en mode de circuit ouvert. Les distances L11, L12, L13 et L21, L22 et L23 entre les réflecteurs 1114, 1116 et 1118 et la structure de transducteur 1108, 1110 sont choisies de telle sorte que les échos correspondants ne se chevauchent pas sur toute la plage de mesure. La cavité 1122 est partagée par les deux résonateurs 1102, 1104 bien qu'elle ne soit pas située au centre entre les deux résonateurs 1102, 1104, car les parties divisées 1102a et 1102b et les parties divisées 1104a et 1104b des deux résonateurs 1102, 1104 ne sont pas identiques ni symétriques les unes par rapport aux autres.
Dans la variante représentée sur la , les parties divisées 1102b et 1104b comprennent une structure réflectrice 1118 et la structure interdigitée 1108, 1110, respectivement. Les structures de transducteur interdigité 1108, 1110 fonctionnent dans des conditions de Bragg mais pourraient fonctionner en dehors de cette condition, et sont ici associées à une structure réflectrice 1118 pour réfléchir et lancer toute l'énergie vers l'obstacle, les miroirs sur lesquels les ondes sont réfléchies partiellement étant raccourcis et les deux lignes à retard étant identiques. Les distances L11, L12, L13 et L21, L22 et L23 entre les réflecteurs 1114, 1116, 1118 et les transducteurs 1108 et 1110 sont choisies de telle sorte que les échos correspondants ne se chevauchent pas sur toute la plage de mesure.
Dans la variante de la , le dispositif à ondes acoustiques de surface 1300 est une variante du dispositif 1200 de la , où la partie divisée 1204a du résonateur 1204 ne comprend qu'un réflecteur 114 et la partie divisée 1202a du résonateur 1202 comprend plus de réflecteurs que la partie divisée 1102a du dispositif 1200. Dans cette variante, les deux résonateurs 1202 et 1204 sont différents bien qu'étant tous deux des dispositifs d'étiquette SAW. Le résonateur 1204 ou l'étiquette SAW 1204 comprend beaucoup plus de réflecteurs que l'étiquette SAW 1204.
Là encore, la cavité 1222 est partagée par les deux résonateurs 1202, 1204 bien qu'elle ne soit pas située au centre entre les deux résonateurs 1202, 1204, car les parties divisées 1202a et b et les parties divisées 1204a et b des deux résonateurs 1202, 1204 ne sont pas les identiques ni symétriques les unes par rapport aux autres.
Les bandes 1120 des réflecteurs 1118, 1116, 1114 et 1120 sont également connectées les unes aux autres. Dans une variante, elles peuvent également ne pas être connectées les unes aux autres.
Le dispositif à résonateurs 1500 tel que décrit dans cette variante mesure la contrainte au niveau de la cavité 1422, qui est située dans l'espace premier transducteur-réflecteur de l'étiquette AW la plus longue 1202. La cavité 1422 est définie par l'espace L11 et L21. Dans une autre variante, une étiquette SAW peut partager plus d'une cavité avec les autres étiquettes ou résonateurs SAW. Ceci permet de mesurer une distribution de contrainte.
La est une variante du dispositif à résonateurs 1300 de la , où la cavité 1222 est métallisée. La métallisation de la cavité 1222 peut être effectuée sur toute la surface comme représenté sur la , mais elle peut également être effectuée uniquement sur une partie de la surface de la cavité 1222. Ainsi, la surface de la cavité 1222 peut être métallisée complètement ou métallisée partiellement. Dans une variante, la cavité 1222 peut également comprendre un réseau métallique ou plus d'un réseau métallique superposés les uns sur les autres. Dans une autre variante, la surface de cavité peut être partiellement ou complètement recouverte d'une couche active. Par exemple, la couche active peut être sensible à un champ magnétique. Par conséquent, par magnétostriction, le film peut subir des contraintes qui peuvent être détectées selon l'invention. La couche active peut également être une couche dont les propriétés changent lorsqu'elle est exposée à du gaz, par exemple du palladium et de l'hydrogène.
Le dispositif à résonateurs 1400 tel que décrit dans cette variante permet d'augmenter la sensibilité de capteur, ou plus généralement d'optimiser le fonctionnement de capteur.
La est une variante du dispositif à résonateurs 1300 de la , où la division du résonateur 1202 est effectuée entre les lignes à retard ou résonateurs 1114, 1116 et 1118, de telle sorte que la partie divisée 1202b du résonateur 1202 comprend maintenant certains réflecteurs 1114, 1116 et 1118 sur un premier côté de la structure de transducteur 1108 avec la structure de transducteur 1108 et la structure réflectrice 1118 sur l'autre côté de la structure de transducteur 1108. Le résonateur 1204 est le même que sur la .
Le dispositif à résonateurs 1500 tel que décrit dans cette variante mesure la contrainte au niveau de la cavité 1422, qui est située n'importe où sur la ligne à retard des résonateurs mais dans le premier espace transducteur-réflecteur, défini par les distances L11 et L21 de l'étiquette SAW la plus longue 1202.
Plusieurs modes de réalisation de l'invention ont été décrits. Néanmoins, il convient de comprendre que diverses modifications et améliorations peuvent être effectuées sans sortir des revendications annexées.
Claims (18)
- Dispositif à résonateurs (200, 300, 350, 370, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500) pour mesurer une contrainte comprenant : au moins deux résonateurs (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1104, 1202, 1204, 1302, 1402), chaque résonateur (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1104, 1202, 1204, 1302, 1402) comprenant une structure de transducteur interdigité (208, 210, 708, 710, 810, 1108, 1110) agencée entre deux structures réflectrices (212, 214, 216, 218, 512, 514, 516, 518, 712, 714, 716, 718, 818, 1108, 1112, 1114, 1116, 1118, 1212, 1214, 1216, 1218) sur ou dans un substrat piézoélectrique (206, 306, 406),
caractérisé en ce que
les au moins deux résonateurs (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1104, 1202, 1204, 1302, 1402) sont agencés et positionnés de manière à avoir deux directions de propagation d'onde différentes, et
chaque résonateur (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1104, 1202, 1204, 1302, 1402) comprend au moins deux parties avec la zone entre les deux parties des au moins deux résonateurs (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1104, 1202, 1204, 1302, 1402) formant une cavité (222, 622, 722, 822, 922, 1022, 1122, 1222, 1422), dans lequel la cavité (222, 622, 722, 822, 922, 1022, 1122, 1222, 1422) est partagée par les au moins deux résonateurs (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1104, 1202, 1204, 1302, 1402),
et dans lequel pour au moins un résonateur, en particulier pour tous les résonateurs, la structure de transducteur interdigité comprend un premier matériau et les structures réflectrices un second matériau différent du premier matériau et/ou la structure de transducteur interdigité et les structures réflectrices ont des paramètres géométriques différents. - Dispositif à résonateurs selon la revendication 1, dans lequel l’impédance acoustique ρCref du second matériau et l'impédance acoustique ρCsub du substrat piézoélectrique sont mises en correspondance, de telle sorte que [Math 2]
- Dispositif à résonateurs selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le premier matériau et le second matériau sont des métaux, en particulier le second matériau est un parmi du platine (Pt), du tungstène (W), du molybdène (Mo), ou du tantale (Ta).
- Dispositif à résonateurs selon la revendication 3, dans lequel la structure réflectrice comprend une pluralité de bandes métalliques isolées électriquement les unes des autres.
- Dispositif à résonateurs selon la revendication 4, dans lequel le second matériau et son orientation cristalline et le matériau du substrat piézoélectrique et son orientation cristalline sont tels que les contributions électrique et mécanique à une réflexion d'ondes acoustiques sont déphasées.
- Dispositif à résonateurs selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le second matériau est un matériau diélectrique, en particulier de l'oxyde d'aluminium (Al2O3) ou du nitrure de gallium (GaN) ou du nitrure d'aluminium (AlN) ou du langasite (LGS) ou du niobate de lithium (LiNbO3) ou du tantalate de lithium (LiTaO3) ou de l'oxyde de tantale (Ta2O5) ou du dioxyde de silicium (SiO2).
- Dispositif à résonateurs (200, 300, 350, 370, 500, 800, 900, 1000) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel chacune des au moins deux parties des au moins deux résonateurs (202, 204, 502, 504, 804) comprend au moins une structure réflectrice (212, 214, 216, 218, 512, 514, 516, 518, 818) et une partie de la structure de transducteur interdigité (208, 210, 810) du résonateur correspondant (202, 204, 502, 504, 804).
- Dispositif à résonateurs (200, 300, 350, 370, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500) selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 7, dans lequel la structure de transducteur interdigité (208, 210, 708, 710, 810, 1108, 1110) du résonateur (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1104, 1202, 1204, 1302, 1402) comprend des électrodes en peigne interdigitées (226, 224, 240, 242, 724, 730), et dans lequel pour au moins une structure de transducteur (208, 210, 708, 710, 810, 1108, 1110) des au moins deux résonateurs (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1104, 1202, 1204, 1302, 1402), lesdites électrodes en peigne inter-digitées (226, 224, 240, 242, 724, 730) sont définies par la condition de Bragg donnée par p = λ/2, λ étant la longueur d'onde acoustique de fonctionnement de ladite structure de transducteur (208, 210, 708, 710, 810, 1108, 1110) et p étant le pas d'électrode de ladite structure de transducteur (208, 210, 708, 710, 810, 1108, 1110).
- Dispositif à résonateurs (200, 300, 350, 370, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500) selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 8, dans lequel les deux directions de propagation d’onde différentes forment un angle Θ l’une avec l’autre, Θ étant égal ou inférieur à ±90°.
- Dispositif à résonateurs (200, 300, 350, 370, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500) selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel les électrodes (226, 224, 240, 242, 724, 730) de la structure de transducteur interdigité (208, 210, 708, 710, 810, 1108, 1110) de l’un des résonateurs (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1104, 1202, 1204, 1302, 1402) sont connectées électriquement aux électrodes (226, 224, 240, 242, 724, 730) de la structure de transducteur (208, 210, 708, 710, 810, 1108, 1110) de l'autre résonateur (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1104, 1202, 1204, 1302, 1402) d’une manière différentielle.
- Dispositif à résonateurs (200, 300, 350, 370, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500) selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 10, dans lequel au moins l'un des résonateurs (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1104, 1202, 1204, 1302, 1402) est agencé et positionné de telle sorte que sa direction de propagation d'onde soit parallèle à l'un des axes cristallins du substrat piézoélectrique (206, 306, 406).
- Dispositif à résonateurs (200, 300, 350, 370, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500) selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 10, dans lequel au moins l'un des résonateurs (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1104, 1202, 1204, 1302, 1402) est agencé et positionné de telle sorte que sa direction de propagation d'onde forme un angle Ψ avec l'un des axes cristallins du substrat piézoélectrique (206, 306, 406), en particulier un angle Ψ égal à ±45°.
- Dispositif à résonateurs (200, 300, 350, 370, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500) selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 12, dans lequel au moins une partie de la surface de la cavité (922, 1022) est métallisée.
- Dispositif à résonateurs (200, 300, 350, 370, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500) selon la revendication 8, dans lequel la métallisation de la cavité (1022) comprend au moins un ou plusieurs réseaux (1022, 1024).
- Dispositif de détection différentielle (400) comprenant au moins un dispositif à résonateurs (350, 370) selon l'une quelconque des revendications 1 à 14.
- Dispositif de détection différentielle (400) selon la revendication 15,
dans lequel la direction de propagation de l’un des résonateurs est parallèle ou perpendiculaire à une direction radiale (408) pour détecter une force radiale, ou dans lequel la direction de propagation de l’un des résonateurs est à un angle, en particulier à 45°, par rapport à une direction radiale (408) pour détecter une force tangentielle. - Dispositif de détection différentielle (400) selon la revendication 16, dans lequel la direction de propagation de l’un des résonateurs est parallèle ou perpendiculaire à une direction radiale (408) pour détecter une force radiale, et dans lequel la direction de propagation d'un autre résonateur est à un angle, en particulier à 45°, par rapport à une direction radiale (408) pour détecter une force tangentielle.
- Dispositif de détection différentielle (400) selon la revendication 16 ou la revendication 17, dans lequel les au moins deux dispositifs à résonateurs différentiels (350, 370) sont fournis sur le même substrat piézoélectrique (406).
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