Brevet FR2521782A1 — publié le 19830819

l - La présente invention concerne un résonateur encastrable réalisé dans un substrat de quartz de coupe ZT. Un résonateur piézo-électrique de coupe ZT, auquel s'appli- que la présente invention, a été décrit dans le brevet suisse No 623 690 de la demanderesse Il est réalisé dans une plaque mince rectangulaire de quartz dont la longueur est dirigée selon un axe X', la largeur est dirigée selon un axe Y' et l'épaisseur selon un axe Z' L'axe Z' est situé dans le plan des axes élec- trique X et optique Z du cristal et forme avec l'axe Z un angle O tel que 16 vibre selon un mode de contour et est caractérisé par d'excellen- tes propriétés thermiques En particulier, le coefficient ther- mique du premier ordre est nul et ne dépend pas de manière criti- que du rapport dimensionnel w/j de la plaque et les coefficients thermiques d'ordre plus élevés sont très faibles Jusqu'à présent un tel résonateur devait être maintenu par des fils de suspension fixés en des points neutres Un tel montage s'avère délicat et entraîne, outre un prix de revient élevé, une résistance aux chocs limitée. Il existe sur le marché des quartz de coupes différentes parmi lesquelles la coupe GT est celle qui offre les propriétés thermiques les plus favorables Le résonateur de coupe GT se pré- sente sous la forme d'une plaque mince rectangulaire et vibre se- lon un mode de contour Un résonateur de ce type, réalisé de ma- th nière à permettre son encastrement, a été présenté au 34 An- nual Frequency Control Symposium, USA ERADCOM, Ft Monmouth, NJ 07703 en mai 1980 sous le titre: "New frequency température characteristics of miniaturized GT-cut quartz resonators" Le ré- sonateur décrit est une plaque mince rectangulaire sur les côtés de laquelle des éléments de support ont été réalisés Ces élé- ments de support sont complexes et ajoutent encore à la criticité intrinsèque des propriétés thermiques du quartz GT Ses prcprié- tés thermiques, en effet, dépendent de façon critique du rapport dimensionnel de la plaque et aussi des dimensions des éléments de support Comme ces dimensions sont très faibles (typiquement 80 pm pour la largeur des éléments de support), les tolérances de fa- brication impliquent nécessairement un ajustement individuel des propriétés thermiques de chaque résonateur, ce qui en accroît le prix de revient. Aussi un objet de la présente invention est un résonateur ayant de bonnes propriétés thermiques dans un large domaine de température et offrant une grande résistance aux chocs. Un autre objet de l'invention est un résonateur pouvant être fabriqué en série et ne nécessitant pas d'ajustement de ses propriétés thermiques. Un autre objet de l'invention est un résonateur qui peut être réalisé à l'aide de procédés photolithographiques. Un autre objet de l'invention est un résonateur facile à monter dans un boîtier. Selon une caractéristique de l'invention, le résonateur est réalisé dans un substrat de coupe ZT et comporte deux plaques rectangulaires reliées entre elles par au moins un bras résonnant lui-même relié à une zone d'encastrement. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la pré- sente invention apparaîtront au cours de la description suivante d'exemples de réalisation particuliers, ladite description étant faite à titre d'exemple non-limitatif et en relation avec les dessins joints dans lesquels: la figure 1 montre le plan de coupe d'un résonateur ZT; la figure 2 montre une première variante de l'invention; les figures 3 a et 3 b montrent une autre' géométrie des électrodes de la variante de la figure 2; les figures 4 et 5 montrent deux autres variantes de l'invention; la figure 6 montre un exemple de résonateur monté dans un boîtier; les figures 7 et 8 a montrent deux autres variantes de l'invention; et la figure 8 b montre une vue en coupe du bras résonnant de la figure 8 a. -' 2521782 La figure 1 montre un résonateur de coupe ZT, tel que dé- crit dans le brevet précité La plaque de coupe ZT s'obtient à partir d'un substrat de coupe Z, c'est-à-dire une plaque perpen- diculaire à l'axe optique Z du cristal de quartz Une première rotation d'angle O autour de l'axe mécanique Y amène l'axe opti- que Z en Z' et l'axe électrique X en XM Une seconde rotation d'angle O autour de l'axe Z' amène les axes Xl et Y en X' et Y' respectivement Les directions X', Y' et Z' correspondent res- pectivement à la longueur A, la largeur W et l'épaisseur t de la plaque de coupe ZT Selon les normes IRE, une telle coupe est no- tée: (Z X W t) 0, O Les angles P et o sont tels que O est com- pris entre 16 et 360 et a est compris entre 100 et 30 et le rapport dimensionnel w/t est compris entre 0,5 et 0,8 Toute- fois les meilleurs résultats ont été obtenus avec un résonateur dont les valeurs de 0, O et w/ sont 260, 200 et environ 2/3 respectivement. La figure 2 montre une première variante de résonateur en accord avec les principes de la présente invention Le résonateur comporte deux plaques 1 et 2 reliées par deux bras résonnants 3 et 4 Les bras sont dits résonnants car ils vibrent de manière telle que les contraintes à la liaison entre les bras et les pla- ques soient négligeables Une barre de liaison 5 relie les bras résonnants aux zones d'encastrement 6 et 7 Les dimensions du ré- sonateur répondent aux critères suivants La largeur W de chaque plaque détermine la fréquence, la constante de fréquence étant approximativement 2823 k Hz mm Le rapport de la largeur à la lon- gueur, soit w/j,, contrôle le coefficient thermique de second ordre de la caractéristique de fréquence; il doit être compris entre 0,5 et 0,9, l'optimum étant atteint lorsque w/I est appro- ximativement égal à 0,7 La longueur b des bras résonnants 3 et 4 doit être ajustée de manière à annuler les contraintes sur la li- gne de séparation entre bras et plaque; elle doit être supérieure à la largeur W de telle sorte que le rapport b/w soit compris en- tre 1 et 1,1 Cependant, si de légères contraintes sont tolérées sur ladite ligne de séparation, le rapport b/w peut alors être compris entre 0,7 et 1,4 La distance d entre les centres des bras résonnants 3 et 4 doit être choisie de manière à annuler l'effet d'une variation de la longueur b des bras résonnants sur -4 2521782 le coefficient thermique de premier ordre de la caractéristique de fréquence; elle doit être telle que le rapport de cette dis- tance à la longueur de chaque plaque, soit d/l, soit compris en- tre 0,3 et 0,7, l'optimum étant atteint lorsque d/l est approxi- mativement égal à 0,5 La largeur de la barre de liaison 5 n'est pas critique; elle ne doit cependant ni être trop petite pour as- surer une bonne résistance aux chocs du résonateur, ni être trop grande pour ne pas trop influer sur la fréquence de résonance des bras 3 et 4 En pratique, la largeur de la barre de liaison sera inférieure à sa longueur L'épaisseur t du résonateur est, en principe, un paramètre libre comme dans tous les résonateurs à modes de contour; elle doit, toutefois, être choisie de manière à éviter tout couplage avec les modes de vibration hors du plan et peut être comprise entre 25 et 250 pm, une épaisseur de 150 pm étant un bon compromis. La figure 2 montre encore un exemple de disposition des électrodes, l'électrode supérieure étant représentée par des ha- chures et l'électrode inférieure (non représentée) étant dispo- sée de manière symétrique à la première par rapport au centre du résonateur. Les figures 3 a et 3 b montrent encore une autre disposi- tion possible d'électrodes Comme l'indiquent les figures, les électrodes supérieure 10 et inférieure 11 sont symétriques l'une de l'autre par rapport au centre du résonateur Une telle dispo- sition des électrodes permet de supprimer le couplage du mode de vibration fondamental en allongement selon l'axe Y' La figure 3.a montre encore une autre différence par rapport au résonateur de la figure 2 En effet, selon la figure 3 a, seul le bras ré- sonnant 4 est relié aux zones d'encastrement 6 et 7 par la barre de liaison 5, la coupure 50 libérant le bras résonnant 3 Il est également possible, avec les résonateurs des figures 2 et 3 a, de ne prévoir qu'une seule zone d'encastrement 6 ou 7. Le fonctionnement d'un résonateur, tel que décrit ci-des- sus, est le suivant Le mode de vibration utilisé est un mode d'allongement selon la direction Y' Chaque plaque 1 ou 2, vibre comme le résonateur rectangulaire de coupe ZT décrit dans le bre- vet précité, les mouvements des deux plaques étant en phase Les 2521782 bras 3 et 4 sont également en résonance mais ils vibrent (allon- gement selon Y') en opposition de phase avec les plaques 1 et 2; leur longueur est choisie de manière à perturber le moins possi- ble le mouvement idéal des plaques, afin que celles-ci puissent être considérées comme des résonateurs quasi libres La barre de liaison 5 est le siège d'une oscillation forcée dont l'amplitude diminue d'une manière très marquée lorsqu'on s'éloigne des ré- gions de contact avec les bras, pour être négligeable aà niveau des zones d'encastrement 6 et 7. Les figures 4 et 5 montrent des variantes du résonateur de l'invention, selon lesquelles les zones d'encastrement sont dis- posées à l'extérieur du résonateur Dans les deux figures, les éléments analogues à ceux de la figure 2 portent les mêmes réfé- rences Le résonateur de la figure 4 est identique à celui de la figure 2 à l'exception de la position des zones d'encastrement 6 ' et 7 ' et de la barre de liaison qui est constituée de trois par- ties 5 a, 5 b et 5 c qui relient respectivement la zone d'encastre- ment 6 ' au bras résonnant 3, le bras résonnant 4 à la zone d'en- castrement 7 ' et les deux bras résonnants 3 et 4 entre eux Les zones d'encastrement peuvent être constituées par un cadre 9 (représenté en pointillé) entourant le résonateur proprement dit et facilitant son encapsulation, ainsi qu'il sera vu plus loin. La partie 5 c de la barre de liaison n'est pas indispensable et peut être supprimée Le résonateur de la figure 5 présente trois bras résonnants dont les deux extrêmes 3 ' et 4 ' ont une largeur environ deux fois plus faible que celle du bras central 8 Les zones d'encastrement 6 ' et 7 ' peuvent également être constituées par un cadre 9 La barre de liaison est constituée de quatre par- ties 5 a, 5 b, 5 e et 5 f, les deux parties centrales 5 e et 5 f pou- vant être supprimées. La figure 6 montre un exemple d'encapsulation de résona- teurs dont les zones d'encastrement sont extérieures Le résona- teur 100, identique au résonateur de la figure 4 ou de la figu- re 5, est monté entre deux plaques 200 et 300 qui présentent cha- cune un évidement 201 ou 301 au niveau de la partie active du ré- sonateur Les deux plaques 200 et 300 sont fixées, par exemple par collage, sur le cadre du résonateur constituant ainsi un bol- tier Ces plaques peuvent être réalisées dans un cristal de quartz de coupe ZT, dans un métal dont le coefficient de dilata- tion est voisin de celui du quartz ou dans tout autre matériau adéquat tel, par exemple, qu'en céramique Dans le cas de plaques métalliques, celles-ci réalisent la liaison électrique entre le résonateur et le circuit oscillateur qui lui est associé Au con- traire, dans le cas de plaques isolantes, celles-ci seront métal- lisées de manière appropriée et la liaison entre plaques et réso- nateur pourra être réalisée à l'aide d'une colle conductrice. Les figures 7 et 8 montrent deux variantes dissymétriques de résonateurs selon l'invention Le résonateur de la figure 7 a deux bras résonnants 3 " et 4 " reliés à une seule zone d'encastre- ment 7 " par l'intermédiaire d'une barre de liaison en deux par- tiés 5 'b et 5 'c, la partie 5 'c pouvant être éventuellement sup- primée Le résonateur de la figure 8 a ne présente qu'un seul bras résonnant 12 relié à une zone d'encastrement 6 par une barre de liaison 5 La partie hachurée 20 montre l'électrode supérieure et la vue en coupe, selon l'axe BB', de la figure 8 b montre la disposition de l'électrode inférieure 21 dans la région du bras 12. Le résonateur de l'invention peut être réalisé au moyen d'un usinage chimique En effet, la normale à un substrat de quartz de coupe ZT fait un angle inférieur à 270 avec l'axe opti- que Z du cristal qui constitue la direction d'attaque privilégiée du substrat Ainsi, sur un même substrat, plusieurs résonateurs peuvent être découpés simultanément, permettant une fabrication en série Le coût de fabrication est encore réduit grâce au fait qu'aucun ajustement des propriétés thermiques n'est requis et que le montage d'un résonateur selon l'invention est aisé. Bien que la présente invention ait été décrite dans le ca- dre d'exemples de réalisation particuliers, il est clair cepen- dant qu'elle n'est nullement limitée auxdits exemples et qu'elle est susceptible de modifications ou de variantes sans sortir de son domaine. -' 2521782 REVENDICATIONS 1 Résonateur piézoélectrique encastrable réalisé dans un substrat de quartz de coupe ZT, caractérisé en ce qu'il com- porte deux plaques minces rectangulaires ( 1,2) reliées entre el- les par au moins un bras résonnant ( 3,4) et en ce que ledit bras résonnant est relié à au moins une zone d'encastrement ( 6,7). 2 Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux plaques rectangulaires ( 1,2) sont reliées entre elles par deux bras résonnants ( 3,4) et en ce que lesdits bras résonnants sont reliés à deux zones d'encastrement ( 6,7) par une barre de liaison ( 5). 3 Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux plaques rectangulaires ( 1,2) sont reliées entre elles par deux bras résonnants ( 3,4) et en ce qu'un bras réson- nant ( 4) est relié à une zone d'encastrement ( 6). 4 Résonateur selon la revendication 2 ou la revendi- cation 3, caractérisé en ce que lesdites zones d'encastrement ( 6,7) sont disposées entre lesdits bras résonnants ( 3,4). Résonateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites zones d'encastrement-( 6,7) sont disposées à l'ex- térieur du résonateur. 6 Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux plaques rectangulaires sont reliées entre elles par trois bras résonnants ( 3,4 ',8), les deux bras extérieurs ( 3 ',4 ') étant reliés, chacun, à une zone d'encastrement ( 6 ',7 ') par une barre de liaison ( 5 a,5 b). 7 Résonateur selon la revendication 5 ou la revendi- cation 6, caractérisé en ce que lesdites zones d'encastrement sont constituées par un cadre ( 9) entourant ledit résonateur. -0 2521782 8 Résonateur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que le rapport b/w de la longueur du ou des bras résonnants à la largeur desdites plaques rectangu- laires est compris entre 0,7 et 1,4. 9 Résonateur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que le rapport b/w de la longueur du ou des bras résonnants à la largeur desdites plaques rectangu- laires est compris entre 1 et 1,1. i