Prir captiv rapport final

4.Conception d’antennes adaptées

La plupart des solutions techniques existantes pour les normes de communications, et particulièrement pour le Zigbee à 2,45 GHz, propose des antennes filaires à diagramme omnidirectionnelle qui sont mal adaptées au contexte particulier du projet CAPTIV. Ce chapitre a pour objet de présenter les différents choix d’antennes conçues et réalisées à l’IETR/Université de Rennes 1. Le cahier des charges de ces antennes est d’offrir un bilan de liaison optimale entre les véhicules en mouvement et les autres modules fixes (panneaux de signalisation) afin de gagner en couverture et en qualité de transmission.

4.1.Introduction

Les antennes utilisées dans le projet CAPTIV doivent être performantes mais aussi compatibles avec l’environnement urbain où leur impact visuel devra être minimisé.

Le choix s’est donc porté vers la réalisation d’antennes planaires transparentes dans le domaine du visible. Ces antennes seront positionnées sur le vitrage des véhicules (pare-brise, lunette arrière et/ou vitres latérales) et directement sur les panneaux de signalisation routière, ce qui permettra d’éviter d’occulter l’information. Les matériaux appartenant à la famille des OTC (Oxydes Transparents et Conducteurs) permettent de réaliser de telles antennes. Ces matériaux sont déposés sous forme de fine(s) couche(s) (d’épaisseur variant entre la centaine de nanomètres et le micromètre) sur un support transparent.

Le premier paramètre pertinent d’une telle couche mince, en vue de son application en hyperfréquences, est sa résistance par carré R_ = /e : résistivité  du matériau déposé rapporté à son épaisseur e. Cette résistance par carré devra être minimale (globalement R_  10 / afin minimiser les pertes ohmiques). Le deuxième paramètre pertinent pour l’application spécifique CAPTIV est la transparence de l’antenne.

Deux solutions ont alors été étudiées :

- le dépôt d’une monocouche d’ITO ;

- le dépôt d’un multicouche ITO/Cu/ITO avec l’insertion d’une couche ultramince de cuivre (quelques nanomètres) entre deux films d’ITO.

4.2.Matériau transparent et conducteur

L’oxyde d’indium dopé à l’étain ou ITO (pour Indium Tin Oxide) appartient à la famille des OTC. C’est un semiconducteur de type n à large bande interdite. Ce matériau possède la caractéristique d’être à la fois conducteur électrique et transparent dans le domaine du visible. Sa conductivité est due d'une part à la présence d'impuretés dopantes (l'étain Sn en substitution à l'indium In) et d'autre part à la création de lacunes d'oxygène (chaque lacune fournissant au maximum 2 électrons de conduction) :

O_O ® V_Ö + 2ē + ½ O_2(g)

La transparence du matériau dans le visible résulte, quant à elle, de la forte largeur de la bande interdite (Eg  3,8 eV).

4.3.Synthèse des couches minces

La pulvérisation cathodique radiofréquence est l'une des techniques les plus performantes pour déposer ce matériau en couche mince. Nous avons développé des conditions de dépôt originales qui permettent d’élaborer des films d’ITO à température ambiante avec des propriétés optimales, sans recuit ni traitement post-dépôt. Pour exemple, des couches minces d’ITO de 200 nm d’épaisseur présentent une résistivité de 0,5 m.cm et une transparence supérieure à 75% dans le visible, propriétés à l’état de l’art international.

Le dépôt par pulvérisation dépend de nombreux paramètres. La concentration en impuretés dopantes (Sn) dans les couches minces d'ITO étant fixée par la composition de la cible, le taux d'oxygène introduit pendant le dépôt a été optimisé afin d’obtenir une résistivité minimale. Afin de contrôler strictement la quantité d'oxygène injectée, deux débitmètres massiques (argon et oxygène) sont utilisés (figure 4.1). La cible d'ITO, de 75 mm de diamètre, possède la composition en masse : 90% In₂O₃10% SnO₂. La cible de cuivre, de diamètre identique, est de pureté 99,995%. Les substrats utilisés pour ce projet sont du verre Corning 1737 de dimensions : 50500,7 mm³.

Figure 4.1 – Présentation schématique du bâti de pulvérisation cathodique RF

Notre bâti multicibles permet de synthétiser des monocouches ou des multicouches dans la même étape de process. Les différents paramètres de dépôt, obtenu après optimisation, sont regroupés dans le tableau 4.1 :

Paramètres de dépôt	Puissance RF	Pression totale	Température dépôt
Matériau : ITO	38 W	0,009 torr	20°C
Matériau : Cu	50 W	0,008 torr	20°C

Tableau 4.1 – Paramètres de dépôt des couches minces

La résistance par carré R_ des films est mesurée, après élaboration, par la technique 4 pointes. L’épaisseur e est déterminée, après gravure d’une marche, par interférométrie optique.

Caractéristiques de la monocouche d’ITO

Un film d’ITO, d’épaisseur 0,68 µm, a été synthétisé. Il est doté d’une résistance par carré de 11,1 / et d’une transparence dans le domaine du visible variant entre 71% et 88% (figure 4.2).

Caractéristiques du multicouche ITO/Cu/ITO

Ce multicouche, d’épaisseur totale 0,18 µm a une résistance par carré de 4,7 /. Cette faible valeur a été obtenue grâce à l’insertion d’un film ultramince de cuivre (13 nm) entre deux couches d’ITO. La transparence de l’échantillon est légèrement dégradée mais elle atteint toutefois 61% à 800 nm (figure 4.2). On remarque ici tout l’avantage de synthétiser des couches minces d’ITO à température ambiante. En effet, aucun problème de diffusion, de délamination et/ou de craquelure n’a été observé dans le multicouche ITO/Cu/ITO, défauts fréquemment rencontrés par d’autres équipes lors de l’élaboration de structure ITO/métal/ITO.

Figure 4.2 – Spectres de transmittance de la monocouche d’ITO et du multicouche ITO/Cu/ITO, en référence à un substrat de verre nu