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Depuis ses débuts, l'utilisation des ondes radio exploite le même principe pour émettre et recevoir : une antenne métallique au sein de laquelle apparaît un courant électriquecourant électrique quand une onde la traverse. Inversement, une différence de potentiel appliquée à une antenne génère l'émissionémission d'une onde radio, c'est-à-dire électromagnétique.
L'efficacité est liée à la longueur de l'antenne qui doit être proportionnée à la longueur d'ondelongueur d'onde du rayonnement pour qu'une résonancerésonance se produise. Il n'est donc pas possible de réduire ses dimensions autant qu'on le voudrait, avec une limite vers un dixième de la longueur d'onde. Par exemple, les ondes VHF, celles de la radio FM et de la télévision, vibrent à des fréquences de 30 à 300 MHz, soit des longueurs d'onde de 10 à 1 m. Elles sont de 1 m à 10 cm pour les UHF (ultra-high frequency), celles du Wi-Fi par exemple, de 0,3 à 3 GHz.
Un aimant fait vibrer un cristal piézoélectrique
C'est ce que savent tous les électroniciens, qui auront sans doute bientôt un nouveau chapitre à apprendre, peut-être titré RéceptionRéception assistée par l'acoustique ou Antennes magnétoélectriques. En effet, une équipe de chercheurs aux États-Unis a exploré ce nouveau principe, aboutissant à une antenne de moins d'un millimètre, gravée sur un substratsubstrat de siliciumsilicium avec les techniques de la fabrication des puces.
Leur dispositif réunit un matériaumatériau ferromagnétiqueferromagnétique et un cristal piézoélectrique. Ce « Nems » (Nanoelectromechanical systems) est le siège d'un couplage magnétique et non plus électrique avec l'onde électromagnétiqueonde électromagnétique. En réception, l'onde radio génère une oscillation magnétique du film ferromagnétique, ce qui fait vibrer le cristal. Ses propriétés piézoélectriquespiézoélectriques génèrent alors un courant électrique. En émission, le couplage fonctionne dans l'autre sens : le courant électrique fait vibrer le cristal piézoélectrique qui génère une oscillation magnétique dans le matériau ferromagnétique, résultant en une émission d'onde radio.
Schéma (a) et vue au microscope électronique à balayage (b) de l'antenne sensible aux ondes de 2,5 GHz. Le dispositif est qualifié de ME FBAR pour « magnétoélectrique » et « thin-film bulk acoustic wave resonator ». Gravé sur une puce aux contacts d'or (Au), il est composé de nitrure d'aluminium (AlN) et d'un alliage de fer, de gallium et de bore (FeGaB). Une antenne en cornet (Horn antenna) émet le signal et la réponse de l'antenne est analysée par un appareil de mesure (PNA). La barre d'échelle correspond à 20 microns (20 millièmes de millimètre). © Tianxiang Nan et al., Nature
Ces antennes millimétriques ouvrent sur des milliers d'applications
Le cristal piézoélectrique est le nitrurenitrure d'aluminiumaluminium (AlN). Le matériau ferromagnétique un alliagealliage de ferfer, de galliumgallium et de borebore. L'épaisseur des deux couches assemblées est de 500 nm (nanomètresnanomètres). Les chercheurs ont réalisé deux antennes, une calée sur 60 MHz (VHF) et l'autre sur 2,5 GHz (UHF). La première, de forme rectangulaire, mesure 50 x 200 micronsmicrons. L'autre est circulaire, d'un diamètre de 200 microns, ce qui correspond à un 593e de la longueur d'onde. Les électroniciens apprécieront...
Les essais de ces deux prototypes sont plus qu'encourageants, d'après les résultats publiés dans la revue Nature. La fabrication avec les méthodes traditionnelles de la microélectronique garantit la possibilité d'une industrialisation. Bien sûr, ces mini-antennes coûteront plus cher qu'un fil de cuivrecuivre. Mais les applicationsapplications sont innombrables. Les modules Wi-Fi viennent à l'esprit mais les auteurs pensent aussi à des dispositifs médicaux, implantés dans le corps, le cerveaucerveau par exemple. Les appareils de « l'Internet des objets », que l'on souhaite toujours plus petits, et les innombrables capteurscapteurs censés se multiplier dans les habitations, les villes et les campagnes, pourraient profiter de ces mini-antennes.
Ce qu’il faut
retenir
- Ce nouveau principe se base sur un effet magnétique de l'onde radio, qui fait osciller un matériau ferromagnétique. Couplé à lui, un cristal piézoélectrique transforme cette vibration en électricité, et inversement.
- La méthode de fabrication est celle de la gravure des puces électroniques.
- Les deux prototypes créés par une équipe américaine mesurent moins d'un millimètre et sont sensibles aux fréquences VHF et UHF.
- Cette miniaturisation permet d'envisager des émetteurs-récepteurs suffisamment petits pour équiper des capteurs ou des implants médicaux.
