Brevet FR2394178A1 — publié le 19790105

La présente invention a pour objet un résonateur piézoélectrique comprenant un boRtier étanche dans lequel on a fait le vide, ou introduit un gaz résiduel ; à l'intérieur de ce boîtier, un cristal piézoélectrique présentant une première et une deuxième face principale opposées ; une première électrode métallique déposée sur la première face principale du cristal et une deuxié- me électrode métallique déposée sur la deuxième face principale opposée du cristal ; un premier conducteur connecté à la première électrode et se prolongeant hors du boTtier ; un deuxième conducteur connecté à la deuxième électrode et se prolongeant hors du bordier et des moyens de maintien du cristal è l'intérieur du boîtier. Les résonateurs à quartz de haute performance actuellement connus sont en quasi totalité du type à électrodes adhérentes au cristal. Dans un tel type de résonateur, les cristaux de quartz sont habituellement suspendus par deux ou trois minces bandes de nickel qui constituent d'ailleurs la liaison entre les électrodes et les contacts extérieurs à l'ampoule ou au capot métallique constituant le bottier du résonateur. Ces minces bandes métalliques, qui ont un relie à la fois électrique et mécanique, sont liées au quartz par ciment, thermocompression, soudu re De plus, dans la technique traditionnelle il est difficile de localiser exactement les points de suspension, de réaliser des fixations reproductibles et d'éviter des contraintes mal connues aux points de fixation. Un résonateur du type à électrodes adhérentes au cristal, à ondes de volume, présente une limitation essentielle due aux conditions aux limites imparfaites, c' est-à-dire principalement aux défauts de la surface limitant le solide piézo-électrique et à la suspension du cristal. On a cherché à limiter les défauts créés par la fixation du cristal en plaçant la fixation en dehors de la partie active du cristal, c' est-à-dire en dehors de la zone correspondant à la partie de la pastille de quartz comprise entre les électrodes et ou l'énergie est piégée. Toutefois, la fixation des électrodes sur la tranche du cristal par thermocompression, collage, ou autre moyen est par nature même discontinue (par exemple liaison quartzvmétal ou présence d'un ciment), et provoque des perturbations auxquelles la fréquence du résonateur est sensible. La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à réaliser un résonateur piézoélectrique à électrodes adhérentes dont la suspension soit améliorée de manière à supprimer les discontinuités de la fixation, réduire les perturbations exercées sur la partie active du cristal et définir les parametres de fixation avec une grande précision. Ces buts sont atteints grace à un résonateur du type mentionné au début dans lequel, conformément à l'invention le cristal piézoélectrique comprend une partie centrale et une partie périphérique formant bague entourant à distance la partie centrale et reliée à ladite partie centrale par une partie intermédiaire qui présente sur au moins une partie de la distance entre la partie centrale et la partie périphérique une épaisseur réduite par rapport à l'épaisseur desdites parties centrale et périphérique, en ce que les première et deuxième électrodes sont déposées sur l'une des parties centrale et périphérique, qui constitue alors la partie active du cristal tandis que l'autre partie non munie d'électrodes est immobilisée dans le boîtier par des moyens de maintien, la partie intermédiaire du cristal et ladite partie immobilisée constituant des moyens de suspension de la partie active du cristal Grâce au rétrécissement, même limité de la section du cristal dans sa partie intermédiaire, la partie active est mécaniquement isolée de la partie sur laquelle sont fixés les moyens de support. De la sorte, il n'y a pas de discontinuité dans la suspension de la zone active du cristal et les contraintes transmises à la partie active du cristal sont réduites, bien que les moyens de support et les conducteurs d'alimentation des électrodes restent situés en des zones ponctuelles de la partie immobilisée du cristal. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, des Eyidements sont formés dans la partie intermédiaire amincie du cristal de sorte que la partie périphérique du cristal est r-eliée à la partie centrale du cristal par un nombre limité de ponts constitués par les portions non évidées de la partie intermédiaire. De nombreuses possibilités pour améliorer la qualité de la suspension ou l'adaptation mécanique, sont ainsi offertes, en jouant sur l'épaisseur du ou des ponts de liaison, sur leur place, leur longueur, leur forme, leur nombre, . Chacun des paramètres précédents peut etre contrôle individuellemenb. Il est notamment possible de réaliser une suspension parfaitement symétrique vis à vis de la partie active du cristal, ou présentant certains caractères de symétrie. La partie intermédiaire amincie peut notamment être de forme annulaire. Selon les applications envisagées, la partie active du cristal peut être constituée par la partie centrale ou la partie périphérique du cristal. Selon un mode de réalisation particulier, les moyens de maintien du cristal qui est par exemple un cristal de quartz, sont fixés sur la partie périphérique du cristal en des points éloignés des ponts de liaison. Les ponts de liaison peuvent être pla cés avec grande précision aussi bien par rapport à la tranche du cristal qu'angulairement sur sa périphérie. Les fils conducteurs d'alimentation en courant des électrodes sont également connectés sur la partie immobilisée du cristal, de-préférence en des points éloignés des ponts de liaison entre lesdites parties centrale et périphérique, et sont raccordés aux électrodes par des dépits métalliques réalisés sur les parties immobilisée et intermédiaire du cristal. Les moyens de maintien pour supporter le cristal dans llen- ceinte peuvent avantageusement être constitués par les fils conducteurs d'alimentation en courant des électrodes. D'autres caractéristiques et avant-ages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui fait suite de modes de réalisation de 1 'invention, donné.s uniquement à titre d'exemples, en référence au dessin annexe, sur lequel la figure 1 est une vue en coupe, selon la ligne I-I de la figure 2, d'un exemple de cristal piézoélectrique muni de ses électrodes qui constitue l'élément de base d'un résonateur conforme à l'invention. la figure 2 est une vue de dessus du cristal piézoélectrique représenté sur la figure 1. la figure 3 est une vue en coupe, selon la ligne III-III de la figure 4, d'un deuxième mode de réalisation de cristal piézoélectrique muni de ses électrodes destiné à constituer l'élément de base d'un résonateur conforme à l'invention. la figure 4 est une vue de dessua du cristal piezo-- electque représente sur la figure 3 la figure 5 est une 'vue an coupe similaire at la figure 3 et représente une variante du mode de réalisation des figures 3 et 4,et - les figures 6 et 7 sont des vues de dessus de deux exemples de cristaux piézoélectriques pouvant être utilisés dans le cadre de la présente invention et pour lesquels les électro- des n'ont pas été représentées, Les figures 1 et 2 représentent les éléments de base d'un résonateur conforme à l'invention, à savoir, un cristal piézoélectrique la, 2a, par exemple en quartz, des moyens de support 5,6 du cristal la, 2a, des conducteurs électriques 14a, 15a et des électrodes 26,27#reli-ées aux conducteurs 14a, 15a respectivement par des chemins métalliques 28, 29 déposés sur le cristal. L'enceinte etanche-constituant le corps du résonateur et à l'intérieur de laquelle sont disposés les éléments cités ci-des Sus n'est pas représentée sur les figures et peut être constituée de fanon classique par un bottier métallique ou une ampoule en verre, par exemple A l'intérieur de ladite enceinte, on a réalisé un vide poussé, ou établi une atmosphère résiduelle (hydrogène,hélium, azote,...). Les conducteurs 14a, 15a reliés au niveau de la tranche du cristal 2a par exemple par thermocompression T ou par collage respectivement aux chemins metal- ligues 28,29 correspondant aux électrodes 26 et 27 peuvent également servir de moyen de support 5,6 du cristal la, 2a, dans l'enceinte étanche. Les fils conducteurs -14a, 15a débouchent à l'extérieur de l'enceinte par des orifices munis d' i-s olant s . Le cristal la, 2a peut recevoir des formes variées qu#i dépendent des applications envisagées. On peut ainsi utiliser des cristaux plan convexe, biconvexe, biplan... Les figures 1 et 2 représentent à titre dtexemple-un cristal circulaire plan convexe présentant une face inférieure 41 plane et une face supérieure 40 convexe. La surface du cristal la, 2a doit être préparée avec soin et présenter le moins de défauts possible, Pour que les propriétés des parties du cristal voisines de la surface soient les plus proches possibles des propriétés du cristal intérieur. on utilise alternativement des procédés qui forment géométriquement la surface (rodage, polissage) et des procédés qui la nettoient et l'attaquent chimiquement De fanon classique, on réalise à la fois des opérations ci#dessus de mise en forme de la surface, un nettoyage, puis une attaque chimique, Enfin, le cristal la, 2a est, selon les procédés courants, soigneusement rincé et nettoyé dans des solvants tels que eau distillée, acétone pure et alcool absolu, avant que ne soient déposées les électrodes 26, 27 et les chemins de liaison 28, 29 par exemple par évaporation sous vide, Les électrodes 26 et 27 disposées de part et d'autre du cristal la respectivement sur les faces 40 et 41 présentent la forme de disques sur la figure 2,mais pourraient naturellement recevoir d'autres configurations.Dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, la partie centrale la du cristal la, 2a comprise entre les deux électrodes 26 et 27 constitue la partie active du cristal tandis que la partie périphérique 2a constitue une partie immobilisée qui assure la suspension de la zone centrale active la. Une partie intermédiaire 34, 35, 36, 37 relie la partie périphérique 2a à la zone centrale active la. Le cristal est aminci au niveau de la partie intermédiaire 34, 35, 36, 37 (figure 1) de sorte qu'il est formé des gorges ou rainures 83, 83a et 86, 86a respectivement dans les faces supérieure 40 et inférieure 41 du cristal la, 2a. La forme de ces gorges 83, 83a, 86, 86a peut naturellement être variée, selon les applications envisagées, Les gorges 83, 83a, 86, 86a de la partie intermédiaire 34, 35, 36, 37 réalisent une frontière entre la partie active centrale la capable de vibrer et la partie périphérique 2a rendue immobile et solidaire du corps du résonateur par les moyens de support 5, 6.Ainsi, lå partie active la du cristal est autosuspendue, puisqu'aucun élément étranger ne la relie à la partie périphérique 2a formant bague de suspen sion. La partie intermédiaire 34 à 37 n'introduit aucune discontinuité de structure au voisinage de la partie active la tout en réalisant un certain isolement du point de vue mécanique, de ladite partie active-1 , La partie intermédiaire amincie 34 à 37, obtenue par exemple par rodage, est avantageusement circulaire, mais pourrait présenter d'autres configurations, dépendant en particulier de la configuration des électrodes et de la nature du cristal. Selon un mode partiçulier de réalisation de l'invention, -des évidements 36, 37 sont réalisés, par exemple par usinage ultrasonore dans une portion de la partie rétrécie séparant les parties centrale la et périphérique #2a du cristal. La partie actiVe la du cristal est ainsi suspendue par deux ponts cristal lins 34, 35 qui la relient à la partie périphérique 2a. Le cristal peut toutefois présenter plus de deux ponts 34, 35. En fait, la partie intermédiaire entre les parties centrale la et périphérique 2a qui comporte au moins sur une partie de la distance entre la partie active centrale la et la partie périphérique 2a, une épaisseur réduite, peut présenter des ponts en nombre varié selon l'adaptation mécanique désirée.Si aucun évidement 36,37 n est prévu dans la partie intermédiaire amincie, et si, par sui te, un seul pont mince ##étendant angulairement sur un angle de 3600 entoure complètement la partie active la, l'usinage du cristal est extrèmement aisé. Un usinage de révolution, sans usinage ultrasonore complémentaire peut être suffisant et il peut même être possible de ne prévoir une gorge annulaire 83, 83a dans la partie intermédiaire du cristal que d'un seul côté, par exemple du cêté de la face 40 du cristal, la gorge annulaire opposée 86, 86a étant alors supprimée. Lés minces ponts 34, 35 constituent les points de suspension de la partie active la du cristal et peuvent être placés avec grande précision aussi bien par rapport à la tranche du cristal la vibrant, qu'angulairement sur sa périphérie. En particulier, il est possible de réaliser une suspension parfaitement symétrique, ou présentant certains caractères de symétrie. Selon les applications envisagées, on peut modifier individuellement un grand nombre de paramètres tels que l'épaisseur du ou des ponts 34, 35, leur positionnement en hauteur par rapport à la tranche du cristal, leur largeur, leur longueur, leur forme, leur positionnement en azimut Dans le cas de deux minces ponts 34, 35 il est toutefois généralement préférable de disposer ceux-ci selon l'axe ZZ' du cristal, lorsque le cristal piézoélectrique est constitué par un cristal de quartz de coupe AT. D'une manière générale, il n'y a aucune difficulté pour réaliser la partie Xnterm~édiarwe 34 à 37 du cristal de facQn qu'elle comprenne un nombre pair de ponts 34 35 assurant une symétrie de suspension de la partie active du cristal. Les ponts 34, 35 sont avantageusement disposés par rapport à la tranche du cristal de telle ' manière que le milieu des ponts coincXde pratiquement avec le plan nodal de référence du cristal qui est situé approximativement au milieu de l'épaisseur du cristal. Si l'on considère la figure 6, on voit que les ponts 34, 35 laissés entre les évidements 36 et 37 et reliant la parti#e centrale active la à la partie périphérique fixe 2a du cristal, sont radiaux, Toutefois, la figure 7 présente un mode de réalisation dans lequel l'extrémité 34b, 35b, respectivement d'un pont 34, 35 située du coté de la partie périphérique 2a est décalée d'un certain angle bêta autour de l'axe de la coupe par rapport à l'ex- trémité 34a, 35a respectivement située du coté de la partie centrale active la, les faces latérales 34c et 34d, respectivement 35c et 35d,- de chacun des ponts 34 et 35 étant courbes et présentant le même sens de courbure. De même, pour réduire ou annuler les contraintes résiduelles aux points de suspension du cristal par ses parties périphérique et intermédiaire, il est possible de soumettre le cristal la, 2a à un traitement préalable, avant son montage, Par exemple, il est avantageux de faire subir au cristal un recuit à environ 480 C suivi d'une très légère attaque au bifluorure. Si l'on considère les figures 1 et 2, les moyens 5,6 de support de la partie périphérique 2a du cristal sqnt fixé-s en des points de préférence éloignés des ponts de liaison 34, 35 entre les parties centrale la et périphérique 2a. Les points de fixation des fils conducteurs 14a, 15a sur la tranche de la partie périphérique 2a, sont également situés de préférence le plus loin possible des ponts de liaison. Les chemins. métalliques 28, 29 reliant respectivement les électrodes 26, 27 aux conducteurs 14a, 15a sont déposés sur les faces 40 et 41 du cristal en même temps que les électrodes 26 et 27. Les chemins métalliques 28, 29 traversent la partie intermédiaire du cristal au niveau des minces ponts 34, 35. Pour que la continuité électrique soit facilitée, il est préférable que les gorges 83, 86a ne soient pas trop profondes. LeS figures 3 & 5 correspondent å un deuxième mode da réalisation de l'i-nvention# Comme dans le caS des figures 1 et 2, le cristal plézoélectrique -lat 2a des figuras 3 à 5 comprend une partie centrale la reliée à une partie périphérique 2a par une partie intermédiaire amincie par rapport aux parties centrale la et périphérique 2a, Les éléments semblables dans le mode de réalisation des figures 1 et 2 et le mode de réalisation des figures 3 à 5 sont munis des memès numéros de référence et tout ce qui a été décrit précedemment- propos notamment du cris tal la, 2a et de sa partie intermédiaire s'appliquent également au mode de réalisation des figures 3 à 5, La structure de base de résonateur piézoelectrique repré sensée sur les figures 3 à 5 diffère de celle représentée sur les figures 1 et 2 essentiellement par le fait que les électrodes 126, 127 situées de part et d'autre du cristal sur les faces 140, 141 respéctivement, sont disposées sur la partie périphérique 2a du cristal, qui devent ainsi la partie active du résonateur, tandis que les moyens de support 5,6 du crista#l, qui sont avantageusement constitués par les conducteurs 114a, 115a d'alimentation des électrodes 126, 127, sont. fixés au cristal dans sa partie centrale la, qui devient la partie immobilisée du résonateur. Les électrodes 126, 127 disposées sur la partie périphérique active 2a, présentent une forme essentiellement annulaire et sont reliées aux conducteurs 114a, 115a par des chemins métalliques 128, 129 respectivement qui sont déposés sur les, faces 140, 141 du cristal en même temps que les électro des 126, 127 et traversent la partie intermédiaire au niveau des minces ponts 34,35 Les moyens de maintien 5, 6 du cristal sont de préférence fixés au centre de la partie centrale la du cristal, laquelle partie centrale immobilisée la peut elle-meme présenter une épaisseur plus importante que la partie périphérique active 2a. La partie périphérique 2a du cristal peut être limitée sur la face supérieure 140 et la face inférieure 141 par des par ties planes (figure 5) ou comporter au moins une partie convexe, par exemple sur la face supérieure 140 (figure 3) de manière à pouvoir disposer l'électrode annulaire correspondante 126 dans une zone d'epaisseur maximum où la piégeage de l'énergie est la meilleur. Le mode de réalis#tion des figures 3 à 5 avec partie active externe présente l'avantage de permettre le maintien du cristal a l'aide de deux points de fixation situés au centre du cristal? particulièrement aisé è réaliser, Il n'y a en particulier aucune difficulté à former un cristal la, 2a présentant une partie périphérique active 2a très mince et une partie centrale la plus épaisse capable d'assurer un support efficace de l'ensemble du cristal. (figure 3), Sur la figure 4, on voit un cristal pour lequel la partie intermédiaire présente deux axes de symétries perpendiculaires et comprend quatre ponts 34, 34a, 35, 35a séparés par des évidements 36, 36a, 37, 37a. Cette configuration applicable également au mode de réalisation des figures 1 et 2 n'est toutefois absolument pas limitative. Bien entendu, diverses adjonctions et modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au dispositif qui vient d'être décrit, uniquement à titre d'exemple non limitatif, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS I. Résonateur piézoélectrique comprenant un boîtier étanche dans lequel on a fait le vide, ou introduit un gaz résiduel ; à l'intérieur de ce bottier, un cristal piézoélectrique présentant une première et une deuxième face principale opposées ; une pre mière électrode métallique déposée sur une première face principale du cristal et une deuxième électrode métallique déposée sur la deuxième face principale opposée du cristal ; un premier conducteur connecté à la première électrode et se prolongeant hors du boîtier ; un deuxième conducteur connecté à la deuxième électrode et se prolongeant hors du boîtier et des moyens de maintien du cristal à ltintérieur du boîtier, caractérisé en ce que le cristal piézoélectrique comprend une partie centrale et une partie périphérique formant bague entourant à distance la partie centrale et reliée à ladite partie centrale par unepartie intermédiaire qui présente sur au moins une partie de la distance entre la partie centrale et la partie périphérique, une épaisseur réduite par rapport à l'épaisseur desdites parties centrale et périphérique, en ce que les première et deuxième électrodes sont déposées sur l'une des parties centrale et périphérique, qui constitue alors la partie active du cristal tandis que l'autre partie non munie d'électrodes est immobilisée dans le boîtier par des moyens de maintien, la partie intermédiaire du cristal et ladite partie immobilisée constituant des moyens de suspension de la partie active du cristal. 2. ~Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie active du cristal est constituée par la partie centrale du cristal, 3. Résonateur selon la reve#ndication I, caractérisé en ce que la partie active du cristal est constituéepar la partie périphé- rique du cristal 4. Résonateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie centrale immobilisée du cristal présente une épaisseur plus importante que la partie périphérique active. 5. Résonateur piézoélectrique selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que des évidements sont formés dans la partie intermédiaire amincie du cristal de sorte que la partie périphérique du cristal est reliée à la partie centrale du cristal p-ar un nombre limité de ponts constitués par les potions non évidées de la partie intermédiaire. 6. Ré-sonateuS selon la revendication 5? caractérisé en ce que les ponts sont disposés par rapport à la tranche du cristal de telle manière que le milieu des ponts cotncide pratiquement avec le plan nodal de référence du cristal, qui est situé ap proximativement au milieu de l'épaisseur du cristal. 7. Résonateur selon la revendication 5 ou la revendication 6 caractérisé en ce que la partie Intermédiaire du cristal comprend un nombre pair de ponts assurant une symétrie de suspension de la partie active du cristal. 8. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 5 à 7. caractérisé en ce que les ponts reliant la partie périphérique du cristal à la partie centrale sont radiaux. 9. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les ponts reliant la partie périphérique du cristal à -la partie centrale ont leur extrémité située du coté de la partie périphérique décalée d'un certain angle par rapport à l'extrémité située du côte de la partie centrale, et présentant des faces latérales courbes ayant le même sens de courbure. 10. Résonateur piézoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la partie in#termédiaire amincie est de forme annulaire. 11. Résonateur selon la revendication 2 et, l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que les moyens de maintien du cristal sont fixés sur la partie périphérique du cristal en das.points éloignés des ponts de liaison entre lesdites parties. 12, Résonateur selon l'une quelconque des revendications 3 et 4 et l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que les moyens de maintien du cristal s-ont fixés au centre de la partie centrale du cristal, 13. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les moyens de maintien pour supporter le cristal dans l'enceinte sont constitués par les fils conducteurs d'alimentation an courant des électrodes, 14. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérlsé en ce que les conducteurs d'alimentation en courant des électrodes sont connectés sur la partie immobilisée du cristal7 et sont raccordés aux électrodes par des dépots métalli ques réalisés sur les-parties immobllìsEe et intermédiaire du cristal. 15. Résonateur selon ltune quelconque des revendications 1 à 14, caracterisé en ce que le cristal piézoélectrique est un cristal de quartz qui a été soumis, avant montage-, à un recuit a environ 480P C suivi d'une très légère attaque superficielle au bifluorure.