Brevet FR2467487A1 — publié le 19810417

La présente invention concerne les résonateurs à cristal piézoélectrique dans lesquels le champ électrique d'excitation doit être créé dans une direction parallèle à l'une de leurs faces par des électrodes dont certaines doivent être disposées sur cette face, notamment ceux qui sont constitués en forme de diapason. Elle vise essentiel- lement à améliorer leurs performances en fonctionnement. Elle concerne également leur fabrication. Les résonateurs à cristal piézoélectrique sont très utiles pour constituer par exemple la base de temps dans toutes sortes d'appareils et équipements électroniques, y compris les montres et autres appareils d'horlogerie. Dans de nombreuses applications, les résonateurs à cristal en forme de diapason se sont révélés tout particulièrement avantageux, en raison notamment de leurs possibilités de miniaturisation. Mais dans le même genre d'applications, il est également souhaitable de réduire autant que possible la consommation d'énergie nécessaire à l'entretien des vibrations du diapa- son, surtout lorsque l'énergie est apportée par des piles de très faibles dimensions dans des appareils portatifs tels que les montres ou les calculatrices de poche. Le résonateur selon l'invention est conçu de manière à dimi- nuer la consommation d'énergie grâce à une excitation par un champ électrique plus homogène que dans les résonateurs connus, et localement plus intense. De ce point de vue, l'invention ne s'applique pas seulement aux résonateurs o le cristal est en forme de diapason, mais également aux résonateurs de toutes autres formes, à champ d'excitation parallèle à une face du cristal portant une électrode d'ex- citation. L'invention a pour objet un résonateur piézo- électrique comportant une première électrode disposée sur une de ses faces pour produire, en liaison avec une seconde électrode, un champ électrique dans une direction sensible- ment parallèle à ladite face, caractérisé en ce qu'il com- porte, en outre, une rainure creusée dans ladite face, ladite première électrode étant disposée, au moins partiel- lement, dans ladite rainure. Dans les résonateurs de type diapason, qui sont décrits, par exemple, dans le brevet américain n03 969 641 2 3467487 (notamment à la figure 1), le diapason, presque toujours en quartz, forme deux branches parallèles séparées par une fente, qui portent chacune des dépôts conducteurs formant des électrodes de polarités opposées qui permettent de créer dans les branches un champ électrique alternatif provoquant la vibration du diapason par déformation piézo- électrique. Les électrodes sont disposées et reliées à la source d'énergie de manière que ce champ soit créé, dans chaque brance, dans le plan des branches, transversalement par rapport à leur longueur, avec un déphasage d'une demi- période entre les deux branches. Conformément à l'invention, au moins une rainure ayant une profondeur inférieure à l'épaisseur du diapason est creusée longitudinalement sur chacune des branches, au moins sur une première des faces du diapason, et les électrodes d'excitation comprennent, sur chaque branche, des électrodes centrales sur les faces principales oppo- sées du diapason constituées par des revêtements conduc- teurs recouvrant la surface du diapason, au moins dans ladite rainure sur ladite première face, et des électro- des latérales recouvrant les côtés de la branche sur la tranche du diapason. Les électrodes sont prévues pour être connectées électriquement d'une manière en elle-même classique, les électrodes centrales d'une branche et les électrodes laté- rales de l'autre branche à l'un des pôles de la source d'excitation, et, réciproquement, les électrodes centrales de la seconde branche et les électrodes latérales de la première branche au pôle opposé de la source d'excitation; ces connexions peuvent être en grande partie réalisées par des pistes conductrices déposées sur le diapason lui-même. En fonctionnement, on peut ainsi entretenir les vibrations du résonateur par flexion des branches du diapason, grâce à un champ électrique alternatif transversal dans le plan des branches. En se référant, à titre d'exemple, au cas parti- culier de l'application de l'invention aux résonateurs dia- pasons, la disposition des électrodes centrales dans des rainures gravées dans l'épaisseur des branches augmente le couplage piézoélectrique. A dimensions égales, cette augmen- tation entraîne une augmentation du facteur de qualité du résonateur, et donc une diminution de la consommation de l'oscillateur qui lui est associé, par suite de la diminution de la résistance série R1 représentant les pertes dans le schéma équivalent classique du résonateur. Réciproquement, à facteur de qualité égal, cette disposition permet de ré- duire les dimensions du résonateur. Dans une forme d'exécution, on prévoit une seule rainure sur chaque branche. La largeur de ces rainures est alors telle que leurs bords se situent le plus près possible des bords des branches, autant que le permettent la conser- vation d'une bonne résistance mécanique du résonateur et les techniques de fabrication de celui-ci. Avec les mêmes réserves, ces rainures sont avanta- geusement aussi profondes que possible. Il faudrait en outre veiller à ce que les zones situées entre les rainures et le bord des branches soient encore suffisamment rigides et soient liées à la partie centrale des branches, de manière également suffisamment rigide pour qu'elles soient capables d'entraîner en vibra- tion l'ensemble du diapason. Cette dernière contrainte, cependant, est de toute façon respectée à cause des limites imposées par les techniques de fabrication à la distance séparant le bord des rainures du bord des branches. Pratiquement, et dans tous les cas, on conserve une épaisseur de matière au niveau des rainures et une dis- tance du bord de celles-ci au bord des branches avantageuse- ment égales au moins au tiers de l'épaisseur du résonateur. De telles rainures peuvent être prévues sur une seule des faces du résonateur, l'autre face étant alors plane, ou sur les deux faces. Dans ce dernier cas, la sec- tion des branches est symétrique, ce qui évite des déforma- tions de ces branches en dehors de leur plan. On sait que le mode de vibration d'un résonateur dépend, entre autre, de la longueur des électrodes d'exci- tation. On choisit donc, évidemment, dans chaque cas, la longueur des rainures en fonction du mode de vibration désiré. Si les rainures prévues sur un des faces du résona- teur ou sur les deux sont assea larges, on peut réaliser une économie de matière en constituant l'électrode centrale en deux parties, disposées séparément au moins sur les flancs de la rainure et reliées électriquement par une ou plusieurs pistes conductrices. En effet, seules les parties de l'élec- trode centrale situées sur les flancs de la rainure sont utiles pour produire le champ d'excitation du résonateur. Dans une autre forme d'exécution, on prévoit deux rainures sur chaque branche du diapason. Ces rainures sont bien sûr disposées aussi près que possible des bords des branches du diapason, avec les mêmes réserves que ci-dessus. A nouveau, on peut prévoir ces rainures sur une seule face du résonateur, ou sur les deux faces. La réalisation des rainures ne pose aucun problème technologique. Dans le cours du processus bien connu de fabrication des résonateurs par voie photolithographique, des couches métalliques, généralement du chrome et de l'or, sont déposées sur une plaque de quartz. Ces couches sont partiellement enlevées, de manière à-ne laisser subsister que des zones ayant la forme des résonateurs. Les plaques de quartz sont ensuite attaquées par de l'acide fluorhydri- que aux endroits non protégés par les couches métalliques. - Pour obtenir des rainures sur une seule des faces des résonateurs, il suffit de prévoir, aux endroits voulus, des fentes dans les couches métalliques protégeant cette face. Le quartz n'est donc attaqué par l'acide fluorhydrique qu'à ces endroits d'un seul côté, alors que les autres par- ties non protégées sont attaquées sur les deux faces. Ainsi, pendant que le contour du résonateur est découpé par l'acide fluorhydrique, les rainures sont gravées sur environ la moitié de l'épaisseur du quartz. Pour obtenir des rainures sur les deux faces du résonateur, il faut prévoir quelques pas supplémentaires dans le processus de gravage. Il faut en effet commencer l'attaque du quartz par l'acide fluorhydrique avec des couches métal- liques de protection ayant la forme extérieure des résonateurs, sans fente à l'endroit prévu pour les rainures. Cette attaque est interrompue avant que le quartz ne soit enlevé autour des résonateurs, et des fentes sont alors pratiquées dans les couches métalliques, à l'endroit prévu pour les rainures. L'attaque par l'acide fluorhydrique est alors reprise, jus- qu'à ce que le quartz soit complètement éliminé autour des résonateurs. Les rainures désirées se forment alors en regard des fentes pratiquées dans les couches métalliques, et leur profondeur dépend de la durée de la seconde attaque par l'acide fluorhydrique. Le dépôt des électrodes dans ces rainures se fait au cours de la même opération que le dépôt des électrodes situées sur les flancs du diapason. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description ci-après de modes de réalisation particuliers du résonateur objet de cette invention. Il s'agit cependant d'exemples non limitatifs. Dans le cours de la description, on se référera aux figures 1 à 6 des dessins annexés, sur lesquelles: La figure 1 représente un résonateur suivant l'in- vention, vu par l'une de ses faces principales; la figure 2 représente le même résonateur vu par la face principale opposée; la figure 3 constitue une coupe d'une branche du résonateur, suivant la ligne de coupe III de la figure 1; la figure 4 illustre, sur une branche vue en pers- pective, une variante de réalisation du résonateur suivant l'invention; la figure 5 montre, par comparaison avec la figure 4, les lignes de force du champ électrique créé dans un réso- nateur sans rainures; et la figure 6 constitue une vue en perspective de deux branches d'un diapason. Sur les figures 1 et 2, le résonateur 1, en quartz, a la forme d'un diapason, avec une fente médiane qui sépare deux branches parallèles 2 et 3. La largeur de ces branches est parallèle à l'axe X du cristal, et la direction de leur longueur fait un angle, compris en général entre 0 et 10 de- grés, avec l'axe Y. Elles sont identiques entre elles et portent des électrodes également identiques, qui ne se dis- tinguent que dans les connexions électriques pour l'alimenta- tion du résonateur. Le recto du résonateur (figure 1) est plan, tandis que sur le verso (figure 2) sont creusées, sur chaque branche, deux rainures longitudinales, 4, 5, qui sont clairement vi- sibles sur la coupe agrandie de la figure 3. Ces rainures sont relativement profondes et étroites, et situées à proximité des bords des branches. A titre d'exemple, pour une épaisseur du résonateur de 115 microns et une largeur de branche 3 à 4 fois plus grande, les rainures peuvent être ménagées res- pectivement à environ 50 microns de distance de chaque bord et avoir une profondeur de l'ordre de 50 microns. Pour l'alimentation électrique du résonateur, les électrodes d'excitation, les pistes de connexion et les pla- ges de contact sont toutes constituées par des revêtements conducteurs déposés sur la surface du résonateur, ici des dépôts d'or obtenus par vaporisation sous vide. Des dépôts d'or supplémentaires sont formés aux extrémités des branches du diapason, en 6, pour permettre de manière usuelle l'ajus- tement de la fréquence propre du résonateur par enlèvement de matière à l'aide d'un faisceau laser. Essentiellement, chaque branche porte deux électro- des centrales et deux électrodes latérales. Les électrodes centrales sont formées sur les deux faces principales du diapason, respectivement au recto pour l'électrode référencée 7 et au verso pour l'électrode référencée 8. Au verso, le revêtement conducteur formant l'électrode 8 recouvre de manière continue la surface du quartz au fond et sur les bords des deux rainures 4 et 5, ainsi qu'entre celles-ci. Les électrodes latérales 9 et 11 recouvrent le diapason sur sa tranche. Elles se prolongent sur l'une seule des faces prin- cipales du résonateur, celle qui est dépourvue de rainures, par des rebords 12 et 13, respectivement, qui longent les bords de la branche de diapason, de part et d'autre de l'élec- trode centrale 7. Du côté de l'extrémité des branches, des pistes con- ductrices 14 relient ensemble les deux électrodes latérales de chaque branche. Du côté de la base commune aux deux bran- ches, d'autres pistes conductrices 15 relient chaque électrode centrale à une électrode latérale appartenant à l'autre bran- che, sur l'une ou l'autre face du résonateur, et de plus elles assurent les connexions avec les plages de contact 17 et 18. Chacune des plages de contact est en liaison électrique avec respectivement les électrodes centrales de l'une des bran- ches du diapason et les électrodes latérales de l'autre bran- che. C'est par ces plages de contact que s'effectue l'alimen- tation pour la mise en vibration du résonateur et l'entretien des vibrations, par les moyens usuels. La présence des rainures favorise la création d'un champ électrique homogène selon l'axe X du cristal. Leur rôle est illustré par les figures comparatives 4 et 5, sur lesquelles les lignes de force des champs créés en fonc- tionnement ont été représentées sur des sections d'une bran- che de résonateur. Dans le cas de la figure 5, le diapason ne comporte pas de rainures, mais les électrodes centrales 21, 22, coopèrent avec des électrodes latérales 23, 24, qui sont déjà prévues sur la tranche du résonateur. Dans le ré- sonateur suivant l'invention de la figure 4, non seulement le verso comporte des rainures 26, 27, analogues à celles, 4, 5, du mode de réalisation précédemment décrit, mais, en outre, des rainures symétriques 28, 29, sont également mé- nagées sur l'autre face principale du résonateur, au recto. Les électrodes latérales 31, 32, sont formées uniquement sur la tranche du résonateur, sans rebord sur les faces princi- pales dans cet exemple, et les dépôts d'or constituant les électrodes centrales sont en fait divisées en deux par- ties sur chaque face, seule la surface intérieure des rainures étant revêtue. Les deux parties sont naturellement connectées au même pôle de la source d'alimentation, grâce à des pistes conductrices, non représentées, qui les relient ensemble aux extrémités des rainures. Les rainures sont moins profondes que sur la figure 3, afin de conserver entre elles une épais- seur de quartz suffisante, par exemple de l'ordre de 50 microns. La figure 6 montre une coupe des deux branches, 33 et 34, d'un diapason dans une autre forme d'exécution. Des rainures, 35, 36, 37 et 38, sont creusées dans ces branches, à raison d'une rainure unique sur chaque face de chaque bran- che. Les électrodes centrales 39, 40, 41 et 42, sont déposées dans ces rainures et coopèrent avec les électrodes latérales 43, 44, 45 et 46, pour créer, comme dans les exemples ci-dessus, le champ transversal nécessaire à la mise en vibration du diapason. L'invention n'est naturellement pas limitée aux exemples décrits. Elle s'applique avantageusement à toute forme de résonateur dans lequel un champ électrique doit être produit dans une direction parallèle à une face à l'aide d'une ou de plusieurs électrodes situées sur cette face. 8 2467487 REVENDICATIONS 1. Résonateur piézoélectrique comportant une pre- mière électrode disposée sur une de ses faces pour produire, en liaison avec une seconde électrode, un champ électrique dans une direction sensiblement parallèle à ladite face, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une rainure creusée dans ladite face, ladite première électrode étant disposée, au moins partiellement, dans ladite rainure. 2. Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première électrode est formée de deux élec- trodes partielles reliées électriquement l'une à l'autre et disposées, chacune, sur un des flancs de ladite rainure. 3. Résonateur selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce qu'il est en forme de diapason à deux branches parallèles et en ce qu'il comporte, sur une des faces de cha- cune de ses branches, une rainure longitudinale sensiblement équidistante des bords desdites branches. 4. Résonateur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte sur l'autre face de chacune de ses bran- ches une autre rainure longitudinale disposée en regard de la rainure de la première face. 5. Résonateur selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce qu'il est en forme de diapason comportant, sur une des faces de chacune de ses branches, deux rainures lon- gitudinales disposées à des distances sensiblement égales des bords desdites branches. 6. Résonateur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte, sur l'autre face de chacune de ses bran- ches, deux autres rainures longitudinales disposées en regard des rainures de la première face. 7. Résonateur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, en forme de diapason à deux branches parallèles, caractérisé en ce qu'il comprend, sur chaque branche, des électrodes centrales sur les faces principales opposées du diapason constituées par des revêtements conducteurs recou- vrant la surface du diapason, au moins dans ladite rainure, et des électrodes latérales recouvrant les côtés de la bran- che sur la tranche du diapason.