Brevet FR2552953A1 — publié le 19850405

a 1 RESONATEUR PIEZO-ELECTRIQUE POUR ENVIRONNEMENT SEVERE La présente invention concerne un résonateur piézo-électrique pour environnement sévère, comportant une embase munie de poteaux de maintien d'une lame piézo-électrique revêtue d'une électrode adhérente sur chacune de ses faces, chaque électrode étant 5 électriquement reliée à un poteau conducteur, traversant l'embase, isolé de celle-ci. Les résonateurs piézo-électriques sont utilisés dans les oscillateurs constituant les bases de temps de très nombreux systèmes. Compte tenu des techniques actuelles de plus en plus sophistiquées, 10 il est nécessaire d'assurer à ces bases de temps une variation de fréquence en particulier à court terme aussi faible que possible quelles que soient les conditions auxquelles ledit résonateur est soumis Si certains paramètres comme les variations de température de l'environnement peuvent être compensées au niveau du circuit 15 dans lequel est placé le résonateur lui-même, d'autres paramètres tels que par exemple la tenue aux accélérations et la résistance aux vibrations ne peuvent être améliorées qu'en modifiant le comportement du résonateur lui-même A l'heure actuelle, de nombreuses études sont menées pour améliorer la tenue aux vibrations et en 20 particulier aux ondes de choc électro- nucléaires, des différents composants électroniques et notamment des résonateurs piézoélectriques L'amélioration de la tenue aux vibrations des résonateurs piézo-électriques se caractérise par la recherche de l'augmentation de la fréquence de résonnance mécanique de la monture 25 quartz et embase, c'est-à-dire en particulier l'amélioration du spectre de bruit au voisinage de la porteuse du pilote utilisant cette monture On s'est rendu compte qu'un résonateur à quartz constitué d'une lame piézo- électrique circulaire comportant une électrode métallisée sur chacune des ses faces et fixée sur une embase entre 30 des poteaux de maintien éventuellement conducteurs, avait une tenue aux vibrations relativement médiocre Les vibrations extérieures auxquelles la monture est soumise sont transmises à la lame piézo-électrique par l'embase et les poteaux de fixation de ladite lame sur celle-ci Ceci induit, semble-t-il, des ondes de surface sur la lame de quartz se traduisant par l'apparition de pics au voisinage de la porteuse, pics d'amplitude importante nuisant fortement à la pureté spectrale de l'oscillateur utilisant cette lame. L'invention permet d'améliorer la tenue aux vibrations des résonateurs piézo-électriques et d'abaisser ou de supprimer les pics 10 résultant des vibrations mécaniques de la monture Le résonateur selon Pinvention est caractérisé en ce que la lame de matériau piézo-électrique est d'un seul tenant et présente une zone active centrale qui est le siège des ondes de volume du résonateur, entourée par une couronne périphérique reliée à ladite partie 15 centrale par 2 N ponts, avec N entier, supérieur ou égal à 2, deux ponts de largeur L 2 étant situés sensiblement sur l'axe ZZ' de la lame piézo-électrique, les autres ponts, de largeur L 1 inférieure à L 2 y étant disposés symétriquement par rapport audit axe ZZ', ladite lame piézo-électrique étant fixée par sa couronne périphérique aux 20 poteaux de maintien. De préférence, le résonateur selon l'invention ne comportera que deux ponts de largeur L 1, disposés sensiblement sur l'axe XX', perpendiculaire à l'axe ZZ' (Ces axes sont les axes de référence habituels, bien connu de l'homme de métier, selon la coupe cristal25 lographique utilisée pour réaliser la lame piézo-électrique). Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention, le rapport L 2/L 1 sera compris entre sensiblement 2 et 4. On a en effet constaté qu'une lame de quartz piézo-électique réalisée de la manière ci-dessus permettait d'améliorer très sensi30 blement, ainsi qu'on le verra par la suite à la lecture des résultats de mesures, la tenue aux vibrations de celle-ci On a en effet constaté de manière inattendue que l'on devait réaliser un découplage mécanique entre la zone active centrale de la lame piézo-électrique et la partie périphérique à laquelle sont fixés les poteaux de maintien et/ou poteaux conducteurs, pour améliorer la tenue aux vibrations du résonateur Mais les ponts de matériaux piézo-électriques reliant ces deux zones doivent être disposés de manière particulière et avoir des dimensions également très particulières Les meilleurs 5 résultats sont obtenus avec deux ponts situés sur l'axe ZZ' de la lame, deux ponts de largeur relativement importante L 2, assurant le maintien des deux zones entre elles dans une partie de la lame o le module d'Young du matériau est le plus faible (sensiblement de part et d'autre de l'axe ZZ') La Demanderesse pense qu'ainsi, on limite la 10 transmission des contraintes de la zone périphérique à la zone active En pratique, on constate toutefois, une amélioration notable en réalisant également des fixations par ponts en d'autres points de la lame piézo-électrique Toutefois, et afin de limiter la transmission des contraintes d'une zone à l'autre, on a constaté que ces 15 ponts "secondaires" de préférence au nombre de deux seulement et situés symétriquement par rapport à l'axe ZZ', devaient être de largeur L 1 plus faible que celle des ponts principaux situés sur l'axe ZZ' D'une manière générale, le rapport L 2/L 1 variera de préférence entre 2 et 4, par des quartz de coupe SC, ou voisine de celle-ci En 20 pratique, on obtient de bons résultats pour un quartz 10 MHZ de coupe SC avec des ponts principaux d'une largeur de l'ordre de 2,5 millimètres tandis que les ponts latéraux (ou secondaires) sur l'axe XX' ont une largeur de l'ordre de 0,8 millimètre Il est possible d'utiliser plusieurs ponts secondaires de largeur L 1 en respectant la 25 symétrie de l'ensemble Toutefois, les meilleurs résultats sont également obtenus lorsque ces ponts sont le plus proche possible de l'axe XX' On constate que dans les configurations décrites cidessus, la monture quartz + embase se révèle de manière inattendue excellente en tenue aux vibrations, bien que sa variation de fré30 quence à f/f soit moins bonne que dans d'autres configurations. Pour plus de détail sur ces configurations, on pourra se reporter à la demande française déposée simultanément par la Demanderesse sous le titre "Résonateur piézo-électrique de faible sensibilité aux accélérations" et incorporé dans cette demande à titre de référence. L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivants, donnés à titre non limitatif, conjointement avec les figures qui représentent: la figure 1, une vue de dessus d'une lame piézo- électrique selon l'invention, la figure 2, une vue de dessus d'une variante d'une lame piézo-électrique selon l'invention, la figure 3 une vue d'une lame piézo-électrique selon l'invention et de son embase. Sur la figure 1, est représentée la variante préférentielle de réalisation de la lame piézo-électrique selon l'invention Cette lame piézo-électrique 1 comporte une couronne périphérique 2 reliée à une zone active 3 par quatre ponts 7, 8, 9 et 10 Les ponts 7 et 9, situés sur l'axe ZZ' de la lame, ont une largeur L 2, tandis que les 15 ponts 8 et 10 situés sur l'axe XX' de la lame ont une largeur L 1 inférieur à L 2 Ces ponts 7, 8, 9 et 10 sont respectivement séparés par des fentes 11, 12, 13 et 14, fentes s'étendant de part en part à travers la lame de matériau piézo-électrique La zone active 3 de la lame (déterminée de manière empirique par l'homme de métier par 20 mesure des ondes de volume au sein du quartz) comporte sur sa partie centrale une électrode adhérente métallisée 4 reliée par une zone de prolongement métallisée 5 à une zone métallisée 6 sur la couronne périphérique 2, et traversant le pont 7 Cette zone métallisée 6 est reliée au poteau conducteur de maintien 15 Une 25 seconde électrode, non représentée sur la figure, disposée sur la face inférieure de la lame et présentant la même disposition géométrique, traverse le pont 9 et vient au contact du poteau conducteur et de maintien 17 par une zone métallisée Les poteaux 16 et 18 ont uniquement une fonction de maintien mécanique de la 30 lame Ces différents poteaux qui ont une fonction de maintien de la lame, seront disposés sensiblement à mi-distance entre deux ponts successifs Leur nombre sera variable en fonction des résultats désirés: dans l'exemple présent, quatre poteaux de maintien, dont deux poteaux conducteurs 15, 17, se sont avérés donner les meilleurs 35 résultats. La figure 2 est une variante de réalisation de la figure 1 sur laquelle les mêmes éléments portent les mêmes références Les ponts principaux 7 et 9 de largeur L 2, ont été maintenus tandis que quatre ponts de faible largeur L 1 ont été utilisés de part et d'autre de l'axe ZZ', disposés de manière symétrique et formant un angle avec l'axe XX' Ces ponts, respectivement 21, 22, 23 et 24 délimitent entre eux et avec les ponts 7 et 9 des fentes 25, 26, 27, 28, 29 et 30 Comme dans l'exemple précédent, ces fentes ont une largeur adaptée aux résultats que l'on désire obtenir c'est-à-dire 10 limiter la transmission des chocs par l'intermédiaire du poteau de maintien à la zone active 3 de la lame En pratique, on constate que des fentes de largeur de l'ordre de 1 mm, obtenues par exemple par voie chimique ou par voie ultrasonique, donnent d'excellents résultats Les poteaux conducteurs et/ou de maintien dans cette variante 15 de la figure 2 sont également au nombre de quatre et sont disposés de manière à respecter la symétrie de l'ensemble, c'est-à-dire sensiblement équidistants des deux ponts les plus proches Dans le cas présent, on aurait pu envisager d'ajouter deux poteaux de maintien supplémentaires disposés sensiblement sur l'axe XX'. La figure 3 représente une vue d'une lame selon l'invention fixée sur son embase, figure sur laquelle les mêmes éléments que ceux des figures précédentes portent les mêmes références La lame est celle représentée schématiquement sur la figure 1 Les poteaux électriquement conducteurs ayant également une fonction de main25 tien 15 et 17 traversent l'embase 42 à travers respectivement une perle de verre isolante 41, 40 et se prolongent extérieurement par des poteaux conducteurs 43 et 44 destinés à être reliés aux circuits d'utilisation Les deux ponts de maintien 16 et 18 sont solidaires de l'embase 42 sans isolation électrique. D'une manière générale, on a constaté que les meilleurs résultats étaient obtenus en utilisant des poteaux de maintien fixés en des zones dans lesquelles le module d'Young de la lame était sensiblement identique, à plus ou moins 20 %. EXEMPLES COMPARATIFS: On prend un quartz 10 MHZ de coupe SC constitué par une lame de 15 mm de diamètre ayant une face convexe de rayon RC = 300 mm dont les métallisations d'électrodes ont un diamètre de 5,5 mm Cette lame est fixée aux deux poteaux d'une embase selon l'axe ZZ' Cette monture ainsi réalisée est montée dans un oscillateur pilote et soumise à des tests de vibrations à différentes fréquences On regarde alors les spectres de bruit au voisinage de la porteuse On constate deux pics importants aux environs de 6 et 7 10 KHZ, de part et d'autre de celle-ci. En utilisant la même monture munie d'un quartz comportant une découpe de 1 mm de largeur et 4 ponts, deux de largeur 25/10 mm sur l'axe ZZ', deux de largeur 8/10 mm sur l'axe XX' et deux poteaux de maintien et de connexion électrique à mi-distance 15 de deux ponts successifs, on constate alors que les pics précédents ont disparu, leur amplitude étant ramenée environ 20 d B en dessous de leur niveau précédent. REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N 5 1 Résonateur piézo-électrique pour environnement sévère comportant une embase ( 42) munie de poteaux de maintien ( 15, 16, 17, 18) d'une lame piézo-électrique ( 1) revêtue d'une électrode adhérente ( 4), sur chacune de ses faces, chaque électrode ( 4) étant électriquement reliée à un poteau conducteur ( 15, 17), traversant l'embase ( 42), électriquement isolé de celle-ci, caractérisé en ce que la lame de matériau piézoélectrique ( 1) est d'un seul tenant et présente une zone active centrale ( 3) qui est le siège des ondes de volume du résonateur, entourée par une couronne périphérique ( 2) 10 reliée à ladite partie centrale par 2 N ponts ( 7, 8, 9, 10), avec n entier, supérieur ou égal à 2, deux ponts ( 7, 9) de largeur L 2 étant situés sensiblement sur l'axe ZZ' de la lame piézo-électrique ( 1), les autres ponts ( 8, 10), de largeur L 1 inférieure à L 2 étant disposes symétriquement par rapport audit axe ZZ', ladite lame piézo15 électrique ( 1) étant fixée par sa couronne périphérique aux poteaux de maintien ( 15, 16, 17, 18). 2 Résonateur piézo-électrique pour environnement sévère selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur ne comporte que deux ponts ( 8, 10) de largeur L 1, disposés sensiblement 20 sur l'axe XX', perpendiculaire à l'axe ZZ'. 3 Résonateur piézo-électrique pour environnement sévère selon l'une des revendications I ou 2, caractérisé en ce que 2 2 $ 4 4 Résonateur piézo-électrique pour environnement sévère 25 selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une lame de quartz ( 1) de coupe SC ou voisine de celle-ci.