Brevet FR2533090A1 — publié le 19840316

RESONATEUR A ONDES DE SURFACE La présente invention a pour objet un résonateur utilisant la propagation des ondes élastiques à la surface d'un cristal Plus particulièrement, l'invention concerne un moyen pour découpler mécaniquement la partie active du résonateur à ondes de surface. Il est connu de réaliser des résonateurs à ondes de surface sur un substrat cristallin Ces résonateurs comprennent généralement deux réseaux réfléchissants ayant un maximum de coefficient de réflexion à la fréquence choisie Généralement deux transducteurs interdigités sont placés entre les réseaux On obtient ainsi une cavité résonnante qui peut avoir un coefficient de surtension élevé. On sait fabriquer des résonateurs à ondes de surface dont la fréquence de résonance est comprise entre 100 M Hz et 1 G Hz et avec des surtensions de 80 000 et 10 000 respectivement Ces résonateurs sont capables d'accepter des puissances d'entrée éle- vées, beaucoup plus que pour les résonateurs à ondes de volume Les problèmes qui se posent pour ces résonateurs concernent d'une part la stabilité à long terme et d'autre part la tenue aux vibrations et aux accélérations En effet, la lame de cristal formant la partie active du résonateur est généralement maintenue par-collage à un boîtier de protection, assurant une bonne tenue aux vibrations. Cette fixation entraîne des discontinuités et des contraintes, qui en se relaxant provoquent une dérive importante de fréquence au cours du temps et la stabilité à long terme est mauvaise Afin d'améliorer principalement la stabilité de fréquence à long terme, il est connu d'utiliser de la colle souple de type caoutchoutique de manière à obtenir un certain découplage entre la lame dé cristal et le boîtier. Il est connu également de maintenir la lame au boîtier par des ligatures en fils d'or Pour minimiser les contraintes, ces fils sont très fins et la tenue aux vibrations est mauvaise Il est connu finalement de fixer des bandes métalliques sur tous les côtés de la lame, ces bandes étant reliées à des supports qui assurent le contact extérieur avec une monture supportant le boîtier Ce type de suspension amène des contraintes d'usinage dues à l'introduction de métaux différents, qui affectent la stabilité à long terme. Brièvement c'est un résonateur à ondes de surface sur une plaquette placée dans un support et ayant au moins sur une de ces surfaces une partie active formée de deux réseaux réfléchissants et au moins un transducteur interdigité caractérisé par le fait que la plaquette comporte des évidements entourant cette partie active, sauf en certains endroits qui forment ainsi des ponts entre la partie active et la partie périphérique par laquelle la plaquette est fixée sur le support. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre, illustrée par les figures qui représentent: figure 1, un résonateur à ondes de surface; figure 2, un résonateur à ondes de surfaces avec des évidements et ponts, suivant l'invention; figures 3 et 4, des schémas explicatifs pour la détermination de l'emplacement des ponts; figure 5, un résonateur à opdes de surface vue de dessus, suivant l'invention; figures 6, 7 et 8, des vues en coupe de différentes formes de ponts, suivant l'invention; figure 9, un résonateur avec doubles ponts, suivant l'invention. La figure 1 représente schématiquement un résonateur à ondes de surface de type classique Il comprend un substrat cristallin en forme de plaquette mince 10 Sur ce substrat sont gravés deux réseaux réfléchissants 11 et 12 dont les traits sont périodiquement espacés d'un pas p et le coefficient de réflexion est maximum à la fréquence de résonance f = v r/2 p, o vr est la vitesse de propa- gation des ondes sous les réseaux es traits sont par exemple réalisés par des sillons gravés ou des bandes métalliques ou encore des zones implantées d'ions Si le nombre de traits est suffisamment important, le coefficient de réflexion est voisin de l'unité dans la bande de fréquence, dite bande d'arrêt, des réseaux autour de la R 53309 @ fréquence f Les ondes élastiques de surface se trouvent piégées et- on constitue ainsi une cavité résonnante permettant d'obtenir un coefficient de surtension élevé. Le couplage électro-mécanique avec la cavité résonante est obtenu par des transducteurs placés à la surface du substrat 10 Il est connu d'utiliser deux transducteurs, en forme de peignes inter- digités 13 et 14, au lieu d'un seul de manière à faciliter le montage du résonateur. La figure 2 représente un résonateur à ondes de surface selon l'invention Le résonateur est constitué d'une plaquette 30 en cristal propageant les ondes acoustiques de surface, par exemple en quartz, usinée de manière à ce que la partie active, c'est-à-dire les deux réseaux réflecteurs et au moins un transducteur interdigité, soit découplée mécaniquement du support M La plaquette étant par exemple en for me de disque, celle-ci est évidée suivant un pourtour circulaire formant un évidement en forme de couronne E, sauf en certains endroits dont les empla- cements sont judicieusement choisis par rapport à la direction de propagation des ondes acoustiques comme on le verra ulté- rieurement On obtient ainsi un disque constitué d'une partie cen- trale 31 comprenant la partie active et une partie périphérique 34 liée au support pour le montage en bottier, ces deux parties étant reliées par des "ponts" P De cette manière la partie active est "suspendue" de façon monolithique au support. v Suivant l'invention les emplacements des ponts sont choisis pour minimiser les variations des fréquences du résonateur A f, compte tenu d'une contrainte radiale donnée. La figure 3 montre un résonateur sur un disque soumis à une contrainte radiale par deux forces opposées F Pour l'étude de l'influence des vibrations il faut connaître la valeur de la sensibilité A f/ AF, o A F est la variation de la contrainte. La figure 4 montre cette variation A f/A F, en Hertz par Newton, déterminée expérimentalement pour un certain disque en quartz coupe-STX, en fonction de l'angle a que fait la contrainte avec la direction de propagation des ondes ZZ'. On constate que les sensibilités sont maximales pour une direction d'application des forces correspondant à la direction de propagation des ondes ( a = O et 1800) tandis qu'elles sont très affaiblies pour des directions voisines de a, = 45 et a = 135 Ces directions insensibles aux variations de contraintes radiales déter- minent les emplacements 33 des ponts, comme représentés sur la figure 5 en vue de dessus. Sur la figure 5 on a figuré 4 ponts à titre d'exemple mais on peut aussi ne choisir que 2 ponts. Cet exemple n'est pas limitatif, en effet, le type de la découpe de la plaquette dépend de nombreux paramètres, tels que la nature du matériau, sa coupe, son épaisseur ainsi que des contraintes. Suivant une variation de réalisation les ponts Pl et P 2 sont amincis par rapport à l'épaisseur de la plaquette comme représenté respectivement sur les figures 6 et 7. La figure 8 représente diverses formes P 3, P 4 et P 5, en coupe, de réalisations possibles des ponts. La figure 9 représente, en vue de dessus, une forme de réalisation de suspension monolithique à double ponts La partie active 100 est suspendue à un anneau 101 par des ponts P 10, lui même suspendu à la partie périphérique 102 par des ponts P 1 I Les ponts P 10 sont inclinés par rapport au rayon procurant un décou- plage de la partie active, vis à vis d'accélérations tangentielles. A titre d'exemple la plaquette de cristal est évidée mécani- quement par une technique connue d'usinage ultrasonore consistant à creuser le matériau à l'aide d'un émeri abrasif, suivi d'un rodage fin. La position angulaire relative des ponts est obtenue avec une grande précision (+ 0,04 ) Toute contrainte laissée dans le matériau après usinage est annihilée par un recuit à 480 'C suivi d'une légère attaque au bifluorure. Les avantages obtenus par la suspension monolithique sont les suivants: elle réduit les relaxations des contraintes de fixation, donc réduit la dérive de fréquence à long terme due au vieillissement, elle diminue la sensibilité aux vibrations, donc améliore la pureté spectrale, elle permet une fixation mécanique simple du résonateur par l'intermédiaire de la partie périphérique 34. elle diminue la variation de fréquence due au montage en boîtier, elle diminue la variation de fréquence avec la température par rapport aux suspensions connues. REVENDICATIONS 1 Résonateur à ondes de surface sur une plaquette ( 30) placée dans un support et ayant au moins sur une de ces surfaces une partie active formée de deux réseaux réfléchissants ( 11,12) et au moins un transducteur interdigité ( 13,14) caractérisé par le fait que la pla- quette comporte des évidements (E) entourant cette partie active, sauf en certains endroits (P) qui forment ainsi des liaisons ou ponts entre la partie active ( 31) et la partie périphérique ( 34) par laquelle la plaquette est fixée sur le support. 2 Résonateur suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que la plaquette est en forme de disque ( 30) et évidée suivant un pourtour circulaire (E) formant une couronne et que les positions des ponts sont choisies pour minimiser la sensibilité de la fréquence de résonance aux contraintes dues à la fixation ou aux contraintes extérieures. 3 Résonateur suivant la revendication 2 caractérisé par le fait que la plaquette ( 30) est en quartz. 4 Résonateur suivant la revendication 3 caractérisé par le fait que le quartz est à coupe ST,X et que les pbnts (P) entre partie active et partie périphérique sont soit au nombre de 2 diamétra- no lement opposés et situés au voisinage de 45 ou de 1350 de l'axe de propagation soit au nombre de 4 et situées au voisinage de 45 , , 225 et 315 de l'axe de propagation - Résonateur suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que l'épaisseur des ponts (P) est égale à l'épaisseur de la plaquette ( 10). 6 Résonateur suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que l'épaisseur des liaisons est plus petite que l'épaisseur de la plaquette. 7 Résonateur suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que la partie active ( 100) est suspendue à un anneau ( 101) de cristal lui même suspendu à la partie périphérique ( 102) par des ponts (P 11), la partie évidée formant une double couronne. 8 Résonateur suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que la plaquette a une forme de disque et que les liaisons ou ponts (P) sont inclinés par rapport au rayon correspondant.