Brevet FR2483076A1 — publié le 19811127

-1- Sonde de temperature utilisant une lame de cIuartz. L'invention concerne la mesure et le contr8le précis de la température. Afin d'effectuer des mesures et des contrôles précis de la température, on utilise un capteur thermométrique ayant une grande sensibilité et une bonne linéarité dans la gamme de mesures désirée. La résolution ultime du dispositif de mesure est déterminée par le principe physique du capteur et la chaîne de mesure. Les sondes thermométriques utilisées jusqu'à maintenant ont pour principe des phénomènes physiques très variés qui leurs permettent de fonctionner dans des gammes de température plus ou moins étendues. On peut citer pour mémoire les sondes utilisant la dilatation thermique d'un corps solide, l'expansion d'un liquide (alcool, mercure) ou d'un gaz (thermomètre à hydrogène), ainsi que les sondes basées sur le rayonnement lumineux (pyromètres). D'autres dispositifs ont pour principe physique les variations de grandeurs électriques en fonction de la température comme par exemple les résistances ou les thermis- tances, et les thermocouples. Actuellement9 les meilleures performances, lors de mesures thermiques, sont obtenues avec des procédés basés sur les variations de fréquence d'un oscillateur en fonction de la température. En particulier, il a été constaté il y a déjà plusieurs années, que les lames de quartz utilisées comme référence de fréquence dans des oscillateurs de bonne stabilité subissènt les effets de la température qui agit comme élément perturbateur. Du fait de l'anisotropie du quartz, il a été montré qu'il était possible de trouver des orientations qui minimisent ou qui augmentent sélectivement leur sensibilité à la température. On a prévu et vérifié (D.L. HAMMOND, C.A. ADAMS, P. SCHMIDT A linear quartz crystal température sensing élément - 19e Conférence -annuelle de l'ISA - octobre 1964) l'existence d'une orientation du quartz permettant d'obtenir une lame ayant un coefficient de température linéaire dans une large gamme de température. Cette coupe de quartz à onde de volume, dite coupe LC (coefficient linéaire) a permis la réalisation d'un thermomètre à quartz en bouclant la lame sur un -2- amplificateur pour obtenir un oscillateur dont la fréquence varie linéairement avec la température (D.L. HAMMOND et A. BENJAMINSON, "Un thermomètre linéaire à quartz", Mesure février 1966). Les mesures peuvent être effectuées automatiquement avec une résolution de 10 4Wc dans une gamme de températures allant de - 400C à + 230C. L'inconvé- nient majeur d'une telle sonde est que le temps de réponse est alors de l'ordre de 10 secondes et tient au fait que la lame de quartz à onde de volume est maintenue par 3 points de fixation par lesquels se fait l'essentiel des échanges thermiques, l'hélium contenu dans le bottier améliorant légèrement la conductibilité thermique. La sensibilité de cette sonde est de l'ordre de 35.10 /OC, ce qui corres- pond à une variation de fréquence de 103 hertz par degré centigrade, à la fréquence de résonance de 28 MHz (partiel 3). Un but de l'invention est de diminuer le temps de réponse d'une sonde de température. Un autre but de l'invention est d'augmenter la précision de mesure de la température. L'invention a pour objet une sonde de température utilisant une lame de quartz dans un dispositif générateur de fréquence, ladite lame étant taillée selon une coupe à double rotation et servant de substrat à la propagation d'une onde de surface dont la direction de propagation, dans un plan de coupe OX"Z" obtenu par double rotation d'un plan OXZ défini par un axe électrique OX et l'axe optique OZ du quartz, est différente de l'axe OX". D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la descrip- tion qui va suivre d'exemples de réalisation de l'invention illustrés par les figures annexées dans lesquelles - la figure 1 représente la rotation d'un trièdre de référence du quartz dans une coupe à double rotation, - la figure 2 représente l'orientation de la direction de propa- gation d'une onde de surface dans une lame à double rotation, - la figure 3 représente un premier type d'une sonde de température de l'invention, la figure 4 représente un second type d'une sonde de température de l'invention, - la figure 5 représente un troisième type d'une sonde de tempé- rature de l'invention, - la figure 6 représente un quatrième type d'une sonde de tempé- rature de l'invention, - les figures 7 à 10 représentent différents modes de montage dans un boîtier d'une lame de quartz d'une sonde de température de l'invention, - la figure 11 représente une courbe fréquence-température d'une sonde de température. La sonde de température objet de l'invention est basée sur les propriétés des cristaux de quartz, propriétés particulièrement intéressantes pour les applications des résonateurs ou des lignes à retard dans les oscillateurs; les principales propriétés sont leur grande pureté et leur bonne stabilité chimique ainsi que leur grande élasticité. La structure anisotrope du quartz permet d'agir, par un choix des orientations angulaires, sur la caractéristique "fréquencetempérature". Ainsi, la coupe ST est telle que la courbe de la fréquence en fonction de la température est parabolique, la température d'inversion étant voisine de + 200C. Les lames obtenues selon une telle coupe, à simple rotation, sont utilisées dans les dispositifs à ondes de surface. La caractéristique "fréquence-température" d'un cristal de quartz est représentée correctement sur une plage assez large de températures par un polynôme du troisième degré r (1) (2) (3) f(T) = f(To) Il + i f.(T-To) + cdf. (T-To)2 + f. (T-To)3] o To est la température de référence (1) (2) (3) i f, o^ f, f sont les coefficients de température du premier, deuxième et troisième ordre de la fréquence. On trouvera une étude des coefficients et de la variation de la fréquence en fonction de la température dans l'article de D. HAUDEN, M. MICHEL, i.J. GAGNEPAIN, "High order température coefficients of quartz SAW oscillators", Proccedings of 32 nd annual Symposium on Frequency Zontrol, may 1978. a -4- Une lame de quartz présentant une réponse en fréquence idéale en fonction de la température doit être telle que les coefficients (2) (3) c( f et i f soient nuls; dans ce cas, la caractéristique "fréquence- température" est parfaitement linéaire. Les demanderesses ont trouvé que les deux degrés de liberté, les angles et 3, définissant une coupe à double rotation du quartz permettaient d'obtenir des lames dont les coefficients du second et troisième ordre avaient des valeurs plus faibles que pour des lames à simple rotation; de plus, il est possible de diminuer encore la valeur de ces coefficients en choisissait une direction de propaga- tion des ondes de surface différente de celle d'un axe OX" obtenu par rotation d'un angle * d'un axe électrique du cristal autour de son axe optique OZ. La figure 1 représente la rotation du trièdre de référence OXYZ dans une coupe à double rotation. le trièdre de référence est défini par l'axe optique OZ du cristal, par un axe électrique OX et par un axe mécanique OY faisant un angle de 900 avec l'axe OX. L'angle f correspond à une rotation du trièdre de référence autour de l'axe OZ; on obtient le trièdre OX'Y'Z'. L'angle G correspond à une rotation du trièdre OX'Y'Z' autour de l'axe OX'; on obtient ainsi le trièdre OX"Y"Z", avec l'axe OX" confondu avec l'axe OX'. Le plan de coupe, donc le plan des lames est le plan OX"Z". La figure 2 représente l'orientation de la direction de propa- -, gation D d'une onde de surface dans une lame L à double rotation, munie de deux transducteurs 1 et 2. La direction de propagation D fait un angle t avec l'axe OX", dans le plan OX"Z". Les angles 4 et -Y sont les notations de la convention IEEE de 1949. Les demanderesses ont mis en évidence une orientation pour laquelle les coefficients du deuxième et troisième ordre sont nuls, aux imprécisions de mesure près, bien entendu; les valeurs correspon- dantes des angles,, t sont les suivantes: = 11 24' e= 59 24' %: 35 Une lame métallisée, dont les orientations ont les valeurs indiauées cidessus, présente un coefficient de temperature de 30/10 6/PC une telle lame métallisée sera appelée lame LST (Linéairement sensible à la temperature). Les lames LST peuvent être soit du type ligne à retard, soit du type résonateur, ces deux types étant très connus. La ligne à retard à onde de surface est constituée par deux transducteurs constitués cehacun par deux peignes interdigités, métalliques, déposés sur une face du substrat piézoélectriqueo Les transducteurs "tant bidirectionnels, les ondes de surface sont émises dans les directions opposées; une matière absorbante élimine les ondes émises vers l'extérieur du substrat.. Le résonateur comporte un transducteur et un réflecteur de chaque c8té du transducteur qui est généralement lui même constitué par deux peignes interdigités. Les peignes sont orientés sur la lame de quartz, tant pour la ligne à retard que pour le résonateur, de manière à obtenir une direction de propagation de l'onde de surface faisant un angle tavec l'axe OX", comme représenté figure 2. La réalisation d'une ligne à retard, ou d'un résonateur est classique et bien connue. Les lames de quartz sont taillées et mesurées selon les techniques habituelles. On se rapportera pour l'orientation et la mesure des lames à l'article de J. CLASTRE C.o PEGEOT et PoY LEROY "Gonomietric Measurements of the angles of cut of Doubly Rotated Quartz Plates". Proceedings of the 32 nd Annual Symposium on Frequency Control, US Army Electronic Command, Ft Monmouth, New Jersey - 1978. Les peignes et réflecteurs sont ensuite obtenus par les techniques habituelles, et notamment par photogravure. Une sonde de température de l'invention est essentiellement un dispositif générateur de fréquence réalisé à l'aide d'une lame LST, celle-ci étant utilisée soit en bouclage sur un amplificateur, soit en asservisement de phase d'un générateur de fréquence, d'un synthé- -6- tiseur ou d'un oscillateur local de type VCO. La réponse en température de la sonde de température est obtenue en traçant sa caractéristique fréquence-température. La figure 3 représente schématiquement une sonde de température de l'invention comportant une ligne à retard 3 aux bornes d'un ampli- ficateur 4, et un amplificateur de sortie 5. Les transducteurs I et 2 de la ligne à retard 3 sont reliés à la sortie et à l'entrée de l'amplificateur 4, respectivement. La ligne à retard 3 et l'ampli- ficateur 4 constituent un oscillateur de type connu. Les conditions d'oscillation sont remplies si le gain de l'ampli- ficateur 4 est suffisant pour compenser les pertes et si la phase totale de la boucle d'oscillation est égale à un multiple entier de 2 1V. On doit donc avoir 1 A + 5 L = 2 k 1Y, _ 15 ff A étant le déphasage introduit par l'amplificateur 4, les circuits d'adaptation et les transducteurs. qL étant le déphasage du au retard de la ligne 3. La stabilité relative de l'oscillateur est de l'ordre de quelque 9 sur la seconde. La figure 4 représente une sonde de température dans laquelle la ligne à retard 3 est utilisée dans une boucle d'asservissement de phase d'un générateur de fréquence 7 qui peut également être un synthétiseur ou un oscillateur du type VCO. La sortie du générateur de fréquence 7 est reliée à un amplificateur de sortie 5, au trans- ducteur 1 de la ligne à retard et à une entrée d'un comparateur de phase 8 dont une autre entrée est reliée au transducteur 2 de la ligne à retard; la sortie du comparateur de phase 8 est reliée à travers un amplificateur 9 à une entrée de commande du générateur de fréquence 7. Le comparateur de phase délivre un signal qui est fonction du déphasage entre le signal de sortie du générateur de fréquence 7 et ce même signal retardé par la ligne à retard 3; le retard apporté par la ligne à retard est lui même fonction de la température, En effet, les variations de température provoquent une modification d'une part de la distance entre les transducteurs (parcours de l'onde de surface) et d'autre part de la vitesse de propagation de l'onde par suite des variations des modules élastiques du quartz. -7- Il s'ensuit une variation du retard entre l'entrée et la sortie de la ligne à retard, donc de la fréquence de synchronisme de la ligne. Dans le cas d'une lame LST, cette variation suit une loi quasi linéaire en fonction de la température. La figure 5 représente une sonde de température utilisant un résonateur. Cette figure est identique à la figure 3 dans laquelle la ligne à retard est remplacée par le résonateur 10, comportant deux peignes 11 et 12, interdigités, et deux réflecteurs 13 et 14 les peignes 11 et 12 sont représentés ici schématiquement. L'ampli- ficateur 4 est relié en entrée au peigne 12 et en sortie au peigne 11 et à l'amplificateur de sortie 5. La figure 6 représente une sonde de température dans laquelle le résonateur 10 est utilisé dans une boucle d'asservissement de phase d'un générateur de fréquence 7 qui peut être également un synthé- tiseur ou un oscillateur du type VCO. La sortie du générateur de fréquence 7 est reliée à un amplificateur de sortie 5, au peigne 11 du résonateur 10, et à une entrée du comparateur de phase 8 dont une autre entrée est reliée au peigne 12 du résonateur; la sortie du comparateur de phase 8 est reliée à travers un amplificateur 9 à une entrée de commande du générateur de fréquence 7. Les figures 7 et 8 représentent un premier mode de réalisation d'un montage dans un bottier d'une lame de quartz d'une sonde de température de l'invention, la figure 7 étant une vue en élévation en coupe selon la coupe VII-VII de la figure 8 qui est une vue de dessus en coupe, selon la coupe VIII-VIII de la figure 7. Une lame de quartz 3 d'une ligne à retard est collé par une face sur un bottier 15 métallique, une autre face, opposée, portant les peignes 1 et 2. Le bottier est fermé par un couvercle 16, également métallique, soudé sur le bottier 15. Le couvercle comporte un trou 17 qui permet de faire le vide dans l'enceinte formée par le bottier et le couvercle, et de remplir ensuite cette enceinte de gaz, tel que i'bélium par exemple; le trou 17 est ensuite obturé, par une goutte de soudure '3, par exemple. Deux bornes 19, 20 métalliques, soit 3solées l.ectriquement iu boitier par une perle de verre 21, 22 r espetivement, qu'elles traversent; la borne 19 est reliée à un pegne du transducteur 2 dont l'autre peigne est relié au bottier -8 - la borne 20 est reliée à un peigne du transducteur 1 dont l'autre peigne est relié au boîtier. Les bornes servent au raccordement des transducteurs. La figure 9 est une vue en élévation et en coupe, d'un deuxième mode de réalisation du montage d'une lame de quartz d'une sonde de température. Dans cette figure un boîtier 25, métallique est muni d'un clinquant métallique 24 en cuivre au nickel, par exemple, d'épaisseur faible, de l'ordre de Q,05 millimètre, sur lequel la lame de quartz 3 d'une ligne à retard est soudée. Le boîtier comporte également, comme dans les figures 7 et 8 deux bornes isolées du boîtier, dont une seule 19 est visible. Le boîtier comporte deux bornes auxiliaires, dont une seule 26 est visible; elle est reliée d'une part à un peigne d'un transducteur, et d'autre part à la borne 21 par une courte liaison en fil inox qui réalise une coupure thermique entre le peigne et la borne 19. Les bornes auxiliaires 26 sont isolées du boîtier par une perle de verre 27; la borne auxiliaire 26 ne traverse pas la perle de verre 27, et ne communique pas avec l'extérieur. Un peigne de chacun des trans- ducteurs est relié au bottier qui est fermé par un couvercle 28 dont un trou 29 pour le pompage et le remplissage par un gaz, de l'hélium par exemple, est obturé par une goutte de soudure 30. La figure 10 est une vue en élévation et en coupe d'un troisièème-- mode de réalisation du montage d'une lame de quartz d'une sonde de température. Dans cette figure la lame de quartz 3, qui est une ligne à retard, constitue le fond d'un boîtier 31 auquel elle est soudée par sa périphérie. Comme précédemment, figure 7, le boîtier comporte deux bornes 19, chacune reliée à un peigne d'un transducteur dont l'autre peigne est relié au boîtier fermé par un couvercle 32, dont un trou 33 est obturé par une goutte de soudure 34. Dans les figures 7 à 10, on a supposé que la lame de quartz est une ligne à retard; bien entendu on peut utiliser un résonateur, et dans ce cas les bornes 19, 20 du boîtier (figure 8) sont réunies chacune à un peigne, respectivement, du transducteur du résonateur, -9 et il n'y a bien évidemment pas de connexion entre les peignes et la boîtier. Les sondes de température de l'invention ont une inertie thermique f aible, la lame de quartz étant soit collée par une face sur un métal on conducteur de la chaleur, tel le cuivre par exemple, (comme illustré figures 7 à 9) Soit en contact direct avec le milieu dont on désire @asurer la température (figure 10). Le temps de propagation de la ohaleur dans le quartz étant faible, inférieur à un dixième de seconde, a temps de réponse de la lame de quartz, donc de la sonde de tempéras bure est faible et fixé essentiellement par la capacité thermique du boîtier; cette capacité thermique est d'autant plus faible que le boîtier est plus petit; le contact intime de la lame de quartz avec le boîtier permet d'obtenir des boîtiers notablement plus petits que les boîtiers enfermant des lames de quartz à onde de volume. D'autre part la lame de quartz étant d'autant plus petite que la fréquence est élevée, il s'ensuit une diminution des dimensions du boîtier. Une sonde de température conforme à l'invention, utilisant la propagation des ondes en surface d'un substrat de quartz, permet des mesures à fréquence élevée, jusqu'à 3 gigahertz, ce que ne permettent pas les sondes de température connues utilisant la propagation des ondes dans le volume du substrat. La résolution des dispositifs de mesure de fréquence étant limitée, la précision de mesure, à une température donnée, est d'autant meilleure que la fréquence est élevée. La figure 11 représente. à titre d'exemple, la courbe de réponse "fréquence-température d'une sonde de température pour une fréquence de l'ordre de 93 MHz. La game de température est ici de - 150C à + 1000C. La sensibi- lité est de l'ordre de 28.106 /OC, soit 2720 Hz/OC à 93 MHz. Le défaut de linéarité maximum mesuré est de l'ordre de 0,10C dans la gamme des températures de 0C à + 800C. Les sondes de températures décrites et représentées sont utili- sables d'une part dans des thermomètres de bonnes performances pour des mesures rapides de la température, et d'autre part oomme élément sensible à la température pour des thermostats de grande qualité. - 10 - Deux types de thermomètres peuvent être réalisés un thermomètre à lecture analogique et un thermomètre à lecture numé- rique. Dans l'application aux thermostats, une sonde de température de l'invention permet de réaliser un thermostat numérique à microprocesseur, la précision pouvant atteindre quelques micro-degrés centigrades, ou un thermostat analogique à asservissement de phase, d'un oscillateur du type VCO en étage mélangeur donnant une précision de l'ordre du micro-degré centigrade par variation continue. - - 11 - REVENDICATIONS 1/ Sonde de température utilisant une lame de quartz dans un dispo- sitif générateur de fréquence, caractérisé par le fait que la lame de quartz est taillée selon une coupe à double rotation, qu'elle sert de substrat à la propagation d'une onde de surface dont la direc- tion de propagation, dans un plan de coupe OX"Z" obtenu par double rotation d'un plan OXZ défini par un axe électrique OX et l'axe optique OZ du quartz, est différente de l'axe OX", et qu'elle présente une carac- téristique fréquence température quasi linéaire. 2/ Sonde de température selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la lame de quartz est taillée selon une coupe à double rotation définie par un angle de première rotation égal à 11 24' et un angle de seconde rotation 9 égal à 59 24', et que la direction de propagation de l'onde de surface fait un angle t de 35 avec l'axe OX". 3/ Sonde de température selon l'une des revendications 1 et 2, carac- térisée par le fait que la lame de quartz comporte sur une face des métallisations constituant une ligne à retard. 4/ Sonde de température selon l'une des revendications 1 et 2, carac- térisée par le fait que la lame de quartz comporte sur une face des métallisations constituant un résonateur. / Sonde de température selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la lame de quartz est enfermée dans un bottier et qu'elle est en contact thermique étroit avec au moins une partie métallique du bottier elle-même en contact thermique avec le milieu dont on mesure la température. / Scnde de température selon la revendication 1, caractérisée par Le faiz que La lame de quartz est enfermée dans un boîtier et que La rzcnse t-ermique de l'ensemble ainsi constitué est d'autant plus -z faze -ae les -imensi-ns dudit ensemble sont plus faibles lorsque La freé.:en ze est élevée. e e-c '- selon 'a revendication 1, caractérisée par Le ra:-e La S-e périeure de La fréquence est de 3-gigahertz. -..... éem:ure solon la revendication 7, caractérisée par L e f--].e a - z __on de mesure a une température est d'autant zeu.... a -- -'.... est grande, du fait de la résolution limitée Ces ':f- - e mesure l a fréquence. - -2 9/ Sonde de température-selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la lame de quartz est associée à un amplificateur-pour constituer un générateur de fréquence. / Sonde de température selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la lame de quartz est insérée dans une boucle d'asservisse- ment d'un générateur de fréquence.