Qu’est-ce qu’une onde acoustique de surface ?
Une onde acoustique de surface (SAW pour surface Acoustic Aave en anglais) est une onde élastique qui se propage uniquement à proximité de la surface d’un matériau piézoélectrique.
À proximité d’une surface solide, la nature de la propagation de l’onde élastique est différente de celle d’un solide, d’un liquide ou d’un gaz infiniment étendu (en vrac). En particulier, si le matériau du substrat solide est un matériau piézoélectrique, l’effet piézoélectrique génère des ondes acoustiques de surface (SAW) qui se propagent près de la surface dans une direction spécifique lorsqu’elles sont soumises à une contrainte.
Les IDT (Transducteur Interdigital) utilisant des monocristaux piézoélectriques, des films minces piézoélectriques ou des céramiques piézoélectriques comme substrat peuvent être utilisés comme récepteur si un dispositif de mesure des impulsions à grande vitesse est utilisé à la place d’une alimentation électrique à haute fréquence. La vitesse de propagation des SAW est d’environ 1 à 5 km/s, soit environ 1/100 000e de celle des ondes électromagnétiques, ce qui permet de miniaturiser le circuit.
Principe des ondes acoustiques de surface
Lorsqu’un matériau piézoélectrique est pris en sandwich entre deux électrodes et qu’une tension est appliquée entre les électrodes, une tension est générée (effet piézoélectrique) et vice versa (effet piézoélectrique inverse).
Un dispositif d’onde acoustique de surface (SAW) comporte une paire d’électrodes en forme de peigne disposées face à face sur un substrat en matériau piézoélectrique de manière à ce que les peignes soient alternativement alignés est appelé IDT. Lorsqu’une tension à haute fréquence est appliquée entre les deux électrodes, l’IDT génère des ondes acoustiques de surface (SAW) à haute fréquence et fonctionne comme un générateur.
Des tensions à très haute fréquence peuvent également générer des ondes acoustiques de surface ultrasoniques. Inversement, si l’IDT reçoit une onde acoustique de surface, une tension à haute fréquence est générée dans l’IDT, qui fonctionne alors comme un récepteur d’ondes acoustiques de surface. En ajustant le nombre et la forme des peignes, le matériau du substrat et son épaisseur, il est possible de générer et de recevoir des SAW aux caractéristiques variées.
En transmettant et en recevant des ondes acoustiques de surface au niveau de l’émetteur et du récepteur, la fréquence peut être modulée en détectant les propriétés du substrat entre l’émetteur et le récepteur ou en plaçant des films ou des éléments spécifiques sur le substrat. Cette propriété est la raison pour laquelle ces ondes sont utilisés dans une grande variété d’applications.
Utilisations des ondes acoustiques de surface
La gamme d’applications des ondes acoustiques de surface (SAW) s’est considérablement élargie. En voici quelques exemples.
1. Utilisations dans les composants électroniques
Les filtres SAW, dans lesquels deux IDT sont utilisés comme émetteur et récepteur SAW pour filtrer les signaux électriques, constituent l’utilisation la plus courante. Les filtres d’ondes acoustiques de surface sont largement utilisés dans les téléphones mobiles, les récepteurs radio, les récepteurs TV et les récepteurs numériques.
2. Micro-manipulation de fluides et de gouttelettes
Des pompes microfluidiques peuvent être créées en plaçant des gouttelettes microfluidiques sur un substrat et en utilisant le fait que les ondes SAW sont transférées au fluide sur le substrat et peuvent accélérer le fluide en raison d’importantes forces d’inertie. Sur le substrat, l’onde acoustique de surface est une onde transversale, et lorsqu’elle pénètre dans la gouttelette, elle devient une onde longitudinale et crée un tourbillon, ce qui provoque un effet de mélange des gouttelettes de fluide. Cette onde est donc utilisée comme mécanisme d’entraînement pour pousser les gouttelettes vers deux ou plusieurs sorties pour le tri. Ces ondes servent alors à dimensionner et diviser les gouttelettes.
3. Capteur de débit
Un certain nombre d’IDT (émetteurs et récepteurs) sont placés à l’extérieur du tuyau d’écoulement du liquide, généralement non mouillé. Les ondes acoustiques de surface générées par un émetteur se propagent également dans le liquide à un angle spécifique, produisant des ondes reçues à la fois dans le sens direct et dans le sens inverse lorsqu’elles traversent le liquide. La différence de temps entre les ondes émises et reçues, qui traversent le liquide une ou plusieurs fois, est en corrélation avec la vitesse d’écoulement. En comparant et en calculant la différence de temps des ondes émettrices et réceptrices, il est possible de mesurer le débit et d’autres paramètres.
4. Application aux capteurs de gaz
Un film mince sensible aux molécules de gaz peut se former entre deux IDT sur un substrat. La fréquence d’une onde acoustique de surface, lorsque les molécules de gaz sont adsorbées sur le film mince, peut être déterminée à partir de l’amplitude et d’autres caractéristiques. Le type de gaz peut être identifié par le matériau de la couche mince. Dans le cas de l’hydrogène, on utilise des alliages de Pd ou de Pd-Ni.
5. Application aux panneaux tactiles
Les écrans tactiles à ondes acoustiques ultra-superficielles détectent la position de l’écran lorsqu’il est touché par un doigt grâce à l’atténuation des ondes acoustiques ultra-superficielles.
Deux IDT placés aux quatre coins du substrat de verre émettent des ondes SAW qui sont transmises sous forme de vibrations à la surface du panneau et reçues par les deux IDT du côté opposé. Lorsqu’un doigt touche l’écran, l’onde élastique de surface supercardioïde s’atténue et la position sur le panneau tactile peut être identifiée en détectant le changement d’amplitude dans le récepteur.
6. Amélioration de la résistance au rayonnement des ordinateurs
Des éléments SAW peuvent être placés sur la mémoire cache L1 (environ 256 kB) pour échanger des données à grande vitesse avec l’unité centrale d’un ordinateur. La position de l’apparition d’un phénomène (soft error) qui inverse les données de la mémoire lorsque des particules chargées sont injectées dans un environnement de rayonnement tel que l’espace extra-atmosphérique peut être calculée à partir de la différence de temps dans l’arrivée des signaux d’ondes de choc aux 25 éléments SAW.
7. Utilisations pour les ordinateurs quantiques
La réalisation d’un ordinateur quantique nécessite un niveau élevé d’intégration des qubits (la plus petite unité d’information quantique). Lorsqu’une tension à haute fréquence variant dans le temps est appliquée à une électrode en forme de peigne spécialement structurée (“IDT chirpé”) des ondes acoustiques de surface à large bande passante sont générées.
Des bits quantiques peuvent être transférés en plaçant un seul électron sur une impulsion isolée SAW formée par la superposition d’ondes acoustiques de surface en phase et l’annulation des ondes indésirables.
Plus d’informations sur les ondes acoustiques de surface
À propos des matériaux piézoélectriques
Les matériaux piézoélectriques, qui peuvent être utilisés pour les fonctions de capteur et d’actionneur, peuvent être classés en trois grandes catégories : les monocristaux piézoélectriques, les films minces piézoélectriques et les céramiques piézoélectriques. Les monocristaux se caractérisent par de faibles pertes de propagation et peuvent être utilisés pour une large gamme de fréquences. Seuls les monocristaux sont utilisés comme matériaux pour les hautes fréquences.
Lorsque les matériaux piézoélectriques monocristallins ont été développés pour la première fois, les monocristaux de niobate de lithium (LiNbO3 : LN) et de tantalate de lithium (LiTaO3 : LT) ont été utilisés. Actuellement, des monocristaux composés d’une structure cristalline de type pérovskite sont en cours de développement. C’est derniers se caractérisent par des composés de métaux de transition constitués de systèmes ternaires, tels que la solution solide de niobate de zinc-plomb-titanate de plomb (PZNT) et la solution solide de niobate de magnésium-plomb-titanate de plomb (PMZT).
Les céramiques piézoélectriques présentent l’avantage de permettre l’obtention de signaux d’ondes acoustiques de surface de grande amplitude, d’être facilement produites en masse et d’être relativement stables, comme le PZT et le BaTiO3.
Des matériaux piézoélectriques plus fins sont utilisés pour éviter que les ondes élastiques ne s’infiltrent dans le substrat et n’endommagent les caractéristiques des SAW. On peut y parvenir, par exemple, en formant un film mince de matériau monocristallin piézoélectrique au-dessus d’une couche ayant une vitesse de son élevée. Les matériaux piézoélectriques en couche mince comprennent le ZnO, l’AIN / ScAIN, le KNN et le PLA.