Brevet FR2458150A1 — publié le 19801226

La présente invention concerne les résonateurs à cristal piézoélectrique, tels que ceux qui sont utilisés pour constituer l'oscillateur formant la base de temps dans toutes sortes d'appareils et équipements électroniques, y compris les montres et autres appareils d'horlogerie. Elle se rapporte plus particulièrement au mode de fixation du cristal sur son support Elle s'étend à un cristal spécialement conçu en fonction de ce mode de fixation et aux oscillateurs et circuits intégrés à oscillateur comportant un résonateur selon l'invention. De manière bien connue, les cristaux utilisés dans les résonateurs sont constitués de plaquettes de cristal, gé néralement de quartz, qui portent des revêtements conducteurs formant deux électrodes respectivement sur deux faces principales opposées du cristal. Ces électrodes permettent d'appliquer au cristal un courant-d'excitation et de recueillir les impulsions que produit alors le cristal à une fréquence bien déterminée, dépendant de la nature du cristaux, de son mode de taille et de ses dimensions. Parmi les différentes sortes de cristaux d'usage industriel, l'invention s'interesse plus particuliere- ment à ceux qui sont taillés pour fonctionner en cisaillement d'épaisseur.Tel est le cas des plaquettes de quartz de coupe AT, particulièrement appréciées pour leurs bonnes performances électriques et très utilisées en horlogerie, mais aussi des quartz de coupe BT, ou encore AC, BC, V ou Y. Avec de genre de cristaux,- la fréquence de vibration ne dépend que de l'épais- seur entre les deux faces principales qui portent les électrodes. Quel que soit le type de coupe, la fixation du quartz sur son support pose toujours des problèmes difficiles à rées ou dre, qui se sont encore accentués avec la tendance à construire des résonateurs de plus en plus petits pour constituer les oscillateurs dans des circuits miniaturisés. Il ne faut pas oublier en outre que l'on cherche parallèlement à ne pas trop compliquer la fabrication, et à obtenir une solidité suffisante pour des applications ou le résonateur équipe des appareils portatifs, comme les montres à quartz. Il reste cependant que la principale qualité que doit présenter le mode de fixation est de ne provoquer aucune perturbation des vibrations du cristal. Aussi utilise-t-on dans tous les résonateurs classiques des systèmes de suspension élastique, qui comportent par exemple des ressorts entre le cristal et le support auquel il est lié par un tel système. I1 est clair que la nécessité de ne pas perturber le mode de vibration du cristal va alors à l'encontre des impératifs de solidité, de simplicité et de miniaturisation. La présente invention permet au contraire de concilier ces divers impératifs avec une bonne stabilité en fréquence, grâce à la suppression de tout système de suspension élastique. L'invention a ainsi pour objet un résonateur comprenant un cristal taillé pour fonctionner en cisaillement d'épaisseur et portant deux électrodes respectivement sur deux faces principales opposées, qui comporte en outre des moyens de fixation du cristal à une embase support propres à assurer d'une part une liaison mécanique rigide entre des points de la périphérie du cristal et l'embase, et d'autre part la connexion électrique entre des conducteurs solidaires de l'embase et respectivement chacune des électrodes. Dans le résonateur selon l'invention, la liaison rigide assurée entre le cristal et l'embase n'entralne pas pour autant des perturbations du mode de vibration du cristal par les effets mécaniques que peut subir l'embase, car les cristaux taillés pour fonctionner en cisaillement d'épaisseur vibrent peu sur leur bord, l'essentiel de l'énergie de vibration étant concentré au centre. De plus, il est avantageux d'utiliser des cristaux risques de dont la forme même est conçue pour réduire encore les/perturba- tions dues aux moyens de fixation. On peut notamment utiliser comme cristal une plaquette de quartz de coupe AT ou BT de forme allongée, fixée à l'embase en des points situés à ses extrémités, et plus particulièrement des plaquettes de forme parallélépipédique fixées en leurs quatre coins.On peut aussi prévoir un amincissement de la plaquette à ses deux extrémités, ou seulement en ses quatre coins comme décrit dans le brevet français 78.12655 déposé par la Demanderesse le 28 Avril 1978, ce qui permet de réduire la longueur du cristal, et donc l'encombrement du résonateur, en conservant des performances équivalentes. D'autres caractéristiques de l'invention concernent la réalisation des moyens de fixation, la disposition des points ou cette fixation est assurée, la réalisation des connexions électriques entre les électrodes du cristal et les conducteurs qui permettent de lui appliquer un courant d'excitation, et la construction d'un boîtier enfermant le cristal. Elles contribuent à la réussite des objectifs de gain de place, simplicité de fabrication, solidité du montage, et stabilité de fonctionnement. Certaines seront tout d'abord mentionnées, avant de décrire les autres en liaison avec des modes de réalisation préférés du résonateur selon l'invention. Les points de fixation sont avantageusement au nombre d'au moins trois et répartis sur la périphérie du cristal. Ils peuvent être par exemple disposés aux quatre coins d'un cristal parallélépipédique. Dans ce cas, deux seulement de ces points de fixation ont également un rôle dans les connexions électriques ; ils sont de préférence diamétralement opposés. Les moyens de fixation peuvent être notamment formés par des scellements obtenus par collage ou par soudure entre le cristal et soit l'embase elle-même soit des éléments tels qu'un cadre ou des plots qui sont montés solidaires de l'embase. Les scellements doivent être conducteurs au moins pour les deux points ou les moyens de fixation assurent une connexion électrique en plus d'une liaison mécanique rigide. Suivant les modes de réalisation de l'invention, les scellements peuvent être notamment réalisés entre le cristal et des zones surélevées de l'embase, munies de revêtements conducteurs au moins aux deux points en question, ou entre le cristal et des plots conducteurs en contact électrique avec des revêtements analogues. L'embase est en général constituée en un matériau isolant.Elle peut former le fond d'un boîtier dans lequel-le cristal est enfermé, et éventuellement le substrat d'un circuit imprimé dans un ensemble oscillateur-diviseur de fréquence intégré. Le cristal lui-même peut avantageusement être métallisé localement au niveau des points de fixation. Le dépôt métallique améliore la liaison mécanique par collage ou soudage. I1 permet aussi la connexion électrique avec une électrode lorsqu'il constitue un prolongement du revêtement conducteur constituant l'électrode correspondante. De préférence, de tels dépôts conducteurs contournent le cristal sur ses bords pour recouvrir localement également la face opposée du cristal. On peut notamment réaliser un cristal parallélépipédique comportant en ses quatre coins des dépôts métalliques conducteurs recouvrant localement la tranche du cristal et chacune de ses faces, deux de ces dépôts étant formés par des prolongements respectifs de revêtementSconducteus formant les électrodes sur les faces principales du cristal.Un cristal de ce type est particulièrement facile à fixer par collage ou soudage sur quatre plots conducteurs correspondant aux quatre coins, sur lesquels il est posé par l'une quelconque de ses faces principales. On décrira maintenant, en se référant aux figures 1 à 6 jointes, trois modes de réalisation du résonateur selon l'invention, choisis à titre d'exemples non limitatifs. Dans les figures La figure 1 représente le résonateur d'un premier mode de réalisation, en coupe transversale la figure 2 représente le résonateur de la figure 1 dont le couvercle de boîtier a été enlevé, en vue de dessus (ligne II-II de la figure 1). La ligne I-I de la figure 2 indique la ligne de coupe utilisée pour la figure 1 la figure 3 concerne un second mode de réalisation. Le résonateur y est représenté en coupe selon la ligne III-III de la figure 4 la figure 4 représente le résonateur de la figure 3 vu de dessus en coupe partielle selon la ligne IV-IV de la figure 3 la figure 5 représente une vue en coupe transversale d'un troisième mode de réalisation du résonateur ; et la figure 6 représente le résonateur de la figure 5 vue de dessus en coupe partielle selon la ligne VI-VI de la figure 5. La ligne V-V sur la figure 6 indique la ligne de coupe utilisée pour la figure 5. Les éléments essentiels du résonateur qui se retrouvent dans les trois réalisations considérées sans modification, ou avec des modifications mineures, ont été assortis des mêmes chiffres de références sur les différentes figures. I1 s'agit principalement du cristal 1 et de l'embase 2, qui constitue son support en même temps que le fond d'un boîtier fermé par un couvercle 6. Le cristal 1 est dans tous les cas un cristal de quartz de coupe AT, de forme générale parallélépipédique, dont les quatre coins sont cependant amincis sur les deux faces principales du cristal et arrondis. Un tel cristal est décrit dans le brevet français nO 78.12655 déjà cité. C'est en ces quatre coins qu'est assurée la fixation du cristal sur l'embase 2, par une liaison mécanique rigide constituée par un scellement obtenu par soudage ou collage. Ces dispositions permettent de maintenir solidement le cristal sans risquer pour autant de perturber son mode de vibration. Sur ses deux faces principales, le cristal 1 est métallisé dans sa partie médiane, pour constituer les revêtements conducteurs qui forment les électrodes 10 et 20. Ces revêtements sont réalisés par tout procédé classique, le plus souvent par vaporisation sous vide d'un métal ou alliage métallique en protégeant les zones du cristal qui ne doivent pas être métallisées, par un masque de forme appropriée au contour du revêtement à obtenir. Le cristal est en outre métallisé de la même manière aux quatre coins, afin d'y réaliser des dépôts métalliques 12 qui le recouvrent d'une manière continue aussi bien sur les deux faces principales que sur la tranche. Ces dépôts ont pour tous au moins un premier rôle qui est d'améliorer la qualité du scellement par soudage ou collage. Mais de plus, deux d'entre eux, diagonalement opposés, sont la suite de prolongements 11 des revêtements métalliques qui les relient électriquement respectivement à chacune des électrodes 10 et 20 sur la face correspondante du cristal. En ces deux points, les dépôts métalliques 12 jouent ainsi un second rôle qui est d'assurer la connexion électrique avec les conducteurs d'alimentation en courant d'excitation. Dans le résonateur représenté sur les figures 1 et 2, le cristal 1 est directement collé ou soudé sur l'embase 2. I1 repose sur celle-ci uniquement par ses quatre coins. Dans la partie centrale un espace libre 8 est maintenu sous le cristal par le fait qu'aux points d'appui du cristal, l'embase 2 forme des zones surélevées 9. Sur les quatre zones 9, l'embase est munie d'un dépôt métallique conducteur qui, pour ceux des deux points d'alimentation électrique, débordent du boîtier sous forme de pistes conductrices 4 sur l'embase pour permettre le raccordement électrique. Les soudures ont été représentées en 5 sur la figure 1. I1 peut s'agir par exemple de soudures eutectiques ou de soudures à basse température. On peut aussi utiliser, en variante, le soudage par thermocompression ou le soudage par ultrasons, ou encore le collage au moyen d'une colle conductrice.Un cadre rectangulaire 3, en matériau isolant, est collé sur l'embase autour du cristal. I1 forme une entretoise sur laquelle vient reposer le couvercle 6 du boitier, collé par des scellements 7 de manière à realiser l'étanchéité du volume contenant le cristal. Le couvercle 6 peut être en matériau métallique ou isolant. L'embase 2 est en un matériau isolant, qui peut être par exemple de la céramique, du verre, une matière plastique. Plutôt que d'être collé sur l'embase, le cadre 3 peut éventuellement être réalisé en tant que deuxième couche d'un boî- tier élaboré en technique multicouche. Si l'on se réfère maintenant aux figures 3 et 4, on remarquera que l'embase 2 est alors plane sur le dessus et que les côtés 14 du boîtier font partie intégrante du couvercle 6. En 7 on a représenté le scellement qui assure l'étanchéité du boîtier et qui peut être obtenu avantageusement dans ce cas par thermocompression ou soudure à basse température. Le cristal 1 repose, ici aussi, par ses quatre coins, sur quatre plots 13 qui dépassent de l'embase 2 au fond du boîtier. I1 est soudé (ou collé) sur la pointe 15 des plots comme il a été décrit cidessus. Les plots 13'sont en métal. Ils traversent entièrement l'embase et ils sont recouverts, avec contact électrique, par les pistes conductrices 4 déposées sur la face inférieure de l'embase, à l'extérieur du bottier. La connexion électrique entre ces pistes et les électrodes est ainsi assurée par l'intermédiaire des plots 13 soudés aux coins diagonalement opposés correspondants du cristal. Dans le mode de réalisation des figures 5 et 6, on évite également d'avoir à creuser l'embase 2, mais les plots 16 qui supportent le cristal ne traversent pas l'embase. I1 s'agit de gouttes métalliques déposées directement sur des dépôts métalliques formés sur- l'embase aux quatre coins du volume intérieur du boîtier, lesquels dépôts se prolongent en dehors du boitier aux coins d'alimentation électrique pour constituer les pistes conductrices 4 qui sont prévues, comme dans le premier mode de réalisation, sur le dessus de l'embase. Le couvercle métallique 6 est fixé par dessus ces dépôts par des scellements isolants 17, par exemple par emploi de colles isolantes à base de résines époxydes, ou avec interposition d'une couche d'émail isolant déposée au préalable sur les dépôts conducteurs. Les différentes variantes qui ont été mentionnées permettent d'illustrer la mise en oeuvre de l'invention, mais elles ne sont pas limitatives et bien d'autres variantes peuvent encore être réalisées sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Résonateur comprenant un cristal piézoélectrique taillé pour fonctionner en cisaillement d'épaisseur et portant deux électrodes respectivement sur deux faces principales opposées, caractérisé par des moyens de fixation du cristal à une embase support propres à assurer d'une part une liaison mécanique rigide entre des points de la périphérie du cristal et l'embase, au moins au nombre de deux, et d'autre part la connexion électrique entre des conducteurs solidaires de l'embase et respectivement chacune des électrodes en deux desdits points. 2. Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de -fixation comprennent des scellements obtenus par collage ou soudure. 3. Résonateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits scellements sont constitués entre le cristal et des zones surélevées de l'embase portant un dépôt métallique et ils sont conducteurs au moins auxdits deux points de connexion électrique. 4. Résonateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits scellements sont constitués entre le cristal et des plots métalliques conducteurs solidaires de l'embase, sur lesquels repose le cristal par l'une de ses faces principales. 5. Résonateur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins auxdits deux points les plots solidaires de l'embase sont en contact électrique avec une piste en revêtement conducteur portée par l'embase. 6. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le cristal est une plaquette de quartz de coupe AT ou BT de forme allongée et les points de fixation sont disposés aux extrémités de la plaquette, de préférence amincies. 7. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le cristal est une plaquette de quartz de coupe AT ou BT de forme parallélépipédique et les points de fixation sont disposés aux quatre coins de la plaquette, de préférence amincis et arrondis. 8. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les électrodes sont formées par des revêtements conducteurs déposés sur le cristal et pro longés respectivement jusqu'auxdits deux points de connexion électrique. 9. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le cristal comporte à l'endroit de chaque point de fixation un dépôt métallique recouvrant localement sa tranche et ses deux faces. 10. Cristal piézoélectrique pour un résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, muni de revêtements conducteurs formant des électrodes sur deux faces principales et prolongés sur chaque face respectivement jusqu'à deux points de la périphérie, de préférence diamétralement opposés. 11. Oscillateur comportant un résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.