Brevet FR2641145A1 — publié le 19900629

La présente invention concerne un procédé et un appareil destinés par exemple à l'examen et à l'essai de dispositifs piézoélectriques tels que des résonateurs à cristal de quartz et des dispositifs à ondes acoustiques de surface. On fabrique les dispositifs piézoélectriques, par exemple les résonateurs à cristal de quartz et les disposi- tifs à ondes acoustiques de surface, à partir d'ébauches par attaque chimique et polissage aux dimensions néces- saires pour l'obtention d'une fréquence particulière de résonance. Des électrodes métalliques sont alors appliquées afin qu'elles assurent le couplage électrique au disposi- tif. Lors de la fabrication de dispositifs à haute fré- quence avec des tolérances serrées, le positionnement et l'étendue des électrodes peuvent avoir un effet important sur les caractéristiques vibrationnelles du dispositif. En pratique, un lot de dispositifs est fabriqué et chaque dispositif est alors éprouvé afin que ceux qui se trouvent dans une plage de tolérances par rapport à la fréquence voulue soient sélectionnés. Dans le cas des applications de haute qualité, par exemple pour la construction de filtres à cristaux à haute fréquence, deux paramètres des cristaux ont une importance primordiale. Ces paramètres sont l'in- ductance équivalente (L1) et la capacité dynamique (C1) qui déterminent ensemble la fréquence du cristal. Dans un pro- cédé classique de fabrication, un lot de cristaux est pré- paré et chaque cristal est soumis à une mesure de fré- quence. Les cristaux qui se trouvent en dehors de la bande de tolérances sur la fréquence peuvent être ajustés par réglage de leurs électrodes afin que ces cristaux entrent dans la bande de tolérances. Il est alors nécessaire de sélectionner les cristaux dont la capacité dynamique entre dans une plage spécifiée de tolérances. Cette sélection de la capacité dynamique peut conduire à un faible rendement en dispositifs acceptables. Une cause courante du faible rendement à la suite de la sélection de la capacité dyna- mique est l'absence de planéité des ébauches de cristaux à partir desquelles les dispositifs sont fabriqués. L'écart par rapport à une surface plane a un effet important sur la caractéristique vibrationnelle en surface du résonateur. Dans le cas de dispositifs qui vibrent en mode transversal, le réglage nécessaire peut être déterminé par examen inter- férométrique optique du dispositif oscillant afin que son diagramme de vibration soit déterminé. Cette information, avec l'écart entre la fréquence réelle et la fréquence voulue, est utilisée pour le calcul de la position et de la surface de réglage d'électrodes permettant l'ajustement du dispositif et le réglage nécessaire. Cependant, l'adapta- tion de cette technique à des dispositifs travaillant en mode de cisaillement n'a pas été possible en pratique car - le déplacement correspondant de la surface est trop faible pour pouvoir être détecté avec une précision suffisante. On a déjà proposé une procédure d'essai mécanique pour tenter de résoudre ce problème. Dans cette technique, une sonde mécanique, telle qu'un cure-dent en bois, suit la surface du dispositif vibrant pendant que la réponse électrique du dispositif est contrôlée. Un mélange d'amortissement et d'application de force par la sonde perturbe la réponse du dispositif à la fois en amplitude et en fréquence. Une perturbation maximale apparaît aux ventres de vibration alors qu'une perturbation minimale apparaît aux noeuds. De cette manière, un relevé du diagramme vibrationnel est déterminé et permet le calcul du positionnement du réglage nécessaire. Cette technique est évidemment relativement sommaire et de précision limitée, surtout pour l'examen des dispositifs à haute fréquence. L'invention a pour objet de supprimer ou de réduire au minimum cet inconvénient. Plus précisément, l'invention concerne un procédé d'essai d'un dispositif résonateur piézoélectrique afin que ses caractéristiques vibrationnelles en surface soient déterminées; ce procédé est caractérisé en ce qu'il com- prend le maintien du dispositif à l'état oscillatoire, la projection d'un faisceau lumineux de forte intensité sur des régions choisies du dispositif, et la mesure de la fréquence et/ou de la phase d'oscillation du dispositif afin que, à partir des variations de fréquence et/ou de phase et sous l'action du faisceau lumineux, un diagramme vibrationnel de noeuds et de ventres soit déterminé à la surface du dispositif. Un appareil d'essai d'un dispositif piézoélectrique permettant la détermination de ses caractéristiques vibra- tionnelles en surface se caractérise en ce qu'il comporte un dispositif destiné à maintenir le dispositif à un état vibrationnel, un dispositif destiné à diriger un faisceau lumineux de forte intensité dans des régions choisies du dispositif, un dispositif de détermination de la fréquence et de la phase des vibrations, et un dispositif de calcul, A partir des perturbations de la fréquence et de la phase, en présence du faisceau lumineux, d'un diagramme vibra- tionnel des noeuds et des ventres du dispositif piézo- électrique. On a constaté qu'un faisceau lumineux de forte intensité, provenant par exemple d'un laser, provoquait des perturbations des caractéristiques vibrationnelles d'un dispositif piézoélectrique. Ces perturbations peuvent être utilisées pour la réalisation d'un relevé du diagramme vibrationnel des noeuds et des ventres. Ce diagramme peut alors être utilisé pour la détermination d'un diagramme convenable d'application de force permettant un réglage final de la fréquence du dispositif. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente le circuit équivalent d'un résonateur piézoélectrique; la figure 2 est un diagramme synoptique d'un appa- reil d'essai de dispositifs piézoélectriques; la figure 3 représente un exemple de diagramme vibrationnel à lignes de niveau d'un résonateur à cristal de quartz; et la figure 4 représente une variante du circuit de la figure 2. On se réfère à la figure 1 qui représente le circuit électrique équivalent d'un résonateur piézoélectrique, par exemple de quartz. Le résonateur est représenté par un circuit série comprenant une inductance L1, une capacité C1 (la capacité dynamique) et une résistance R1. La disposi- tion série est shuntée par une capacité supplémentaire C0 (capacité statique). La fréquence de résonance (f) du dis- positif est déterminée, avec une approximation du premier ordre, par l'épaisseur du dispositif et elle donnée approximativement par l'expression: f = 1/(2LlCl) Pour que le résonateur soit de qualité élevée, il est souhaitable que la capacité dynamique soit proche de'sa valeur théorique. On a constaté que la fréquence pouvait être réglée à une valeur dérivée et simultanément que la capacité dynamique pouvait être maintenue à une valeur proche de sa valeur théorique par addition de matière à des électrodes choisies du résonateur ou par enlèvement de matière des électrodes choisies. On se réfère maintenant à la figure 2; l'appareil d'essai comprend un générateur 11 de signaux permettant un réglage de la fréquence du signal de sortie par une ten-' sion. Le signal de sortie du générateur, accordé sur la fréquence de résonance du dispositif 13, est couplé à un répartiteur d'énergie 12 dont une sortie est couplée à un dispositif piézoélectrique 13 à analyser. Le dispositif 13 est aussi couplé à une première entrée d'un voltmètre vec- toriel 14 dont l'autre entrée est couplée à l'autre sortie du répartiteur d'énergie 12. Le voltmètre vectoriel 14 reçoit ainsi deux signaux du générateur 11 dont l'un est un signal direct et l'autre est transmis par le dispositif 13. Le voltmètre 14 compare les phases des deux signaux et transmet un signal de sortie correspondant au déphasage. Le signal de sortie est transmis par un intégrateur 15 et un amplificateur tampon 16 à un signal d'entrée d'accord du générateur 11. Ainsi, le dispositif 13, le voltmètre 14, l'intégrateur 15 et le circuit tampon 16 forment ensemble une boucle à verrouillage de phase à réponse lente dont la fréquence centrale constitue la fréquence de résonance du dispositif 13. L'oscillation du dispositif 13 est perturbée par interaction du dispositif avec un faisceau lumineux de forte intensité qui est déplacé à la surface du dispositif et qui provient d'une source lumineuse 17. De préférence, cette source lumineuse 17 est commandée en mode pulsé et est pilotée par un circuit 18 de pilotage. Le circuit de pilotage reçoit un signal pulsé tiré d'un signal oscilla- toire, par exemple à une fréquence d'environ 40 Hz, par - l'intermédiaire d'un circuit conformateur d'impulsions 19. Le signal oscillatoire est tiré d'un analyseur 19 d'oôndes qui comporte un filtre accordable à bande étroite ayant un détecteur quadratique à partir duquel un signal permanent de sortie (courant continu) est obtenu. Ce signal de sortie en courant continu, représentatif de l'amplitude du signal reçu du voltmètre vectoriel, est couplé à un processeur de commande 20. Un signal de sortie du processeur 20 commande un dispositif 21 de direction de faisceau si bien que le faisceau lumineux balaie la surface du dispositif 13, par exemple suivant une trame. Par exemple, la source lumineuse est un laser travaillant en mode pulsé. On a constaté selon l'invention que le diagramme vibrationnel de la région active du dispositif piézoélec- trique pouvait être tracé par mesure des perturbations faibles mais détectables de la phase ou de la fréquence, provoquées par le faisceau lumineux pulsé lors de son déplacement sur le dispositif. En général, les zones de plus grande activité, c'est-à-dire les ventres vibration- nels, présentent la plus grande sensibilité au faisceau lumineux incident. On considère que le mécanisme de l'effet est la contrainte produite par la dilatation thermique temporaire du matériau d'électrode. Dans le cas d'un quartz à taille AT, le décalage en fréquence *f, détecté sous forme d'un déphasage correspondant, est donné par l'expression: *f = (-2,75. 1011 x s)/t f étant la force par unité de largeur, exprimée en newtons par mètre de l'électrode, et t étant l'épaisseur du quartz. Par exemple, pour une élévation locale de température de OC d'un film d'électrode d'aluminium de 100 nm d'épais- seur formé sur un dispositif de quartz, la contrainte induite est égale & 6,5 N/m2 et provoque un changement de fréquence de 5,4 ppm pour un dispositif à fréquence fonda- mentale à 50 MHz. Ce changement de fréquence est détecté sous forme d'un déphasage correspondant. Lorsque les déphasages sont relevés sur toute la surface du dispositif, un diagramme de lignes de même déphasage est formé. Ce diagramme correspond à celui des lignes de niveau de même activité vibrationnelle. Un tel diagramme ou relevé, pour une électrode circulaire, est représenté sur la figure 2 des dessins. Le fabricant des dispositifs peut ainsi déterminer les zones d'activité élevée et de faible activité, c'est-à- dire les ventres et les noeuds. Lorsque le dispositif est ajusté ou réglé par addition de métal à l'électrode ou extraction de métal de l'électrode, il est très avantageuxde délimiter ce réglage aux régions nodales ou inactives au point de vue vibration- nel, car on a constaté que la capacité dynamique du dispo- sitif était ainsi conservée et même, dans certains cas, augmentée. Le processeur 20, à partir des signaux provenant du voltmètre vectoriel 14 et de l'information relative au positionnement du faisceau lumineux, calcule une plage d'amplitudes vibrationnelles transversalement à la surface du dispositif, identifiant les régions des noeuds et des ventres du mode vibrationnel particulier. La disposition du circuit de la figure 4 présente une petite variante par rapport à celle de la figure 2. Dans cette disposition, le circuit d'analyse d'ondes et de séquence de la figure 2 est remplacé par un amplificateur à verrouillage 41 et un générateur d'impulsions 42. La source lumineuse est pilotée à partir d'un train d'impulsions créé par le générateur 42, ce train d'impulsions étant aussi appliqué à l'entrée d'horloge de l'amplificateur 41. Le fonctionnement du circuit de la figure 4 est très semblable à celui de la figure 2. Cependant, cette disposition parti- culiére présente des avantages car la largeur de bande de l'amplificateur peut être ajustée afin que la réponse du circuit soit maximale. Bien qu'on ait décrit cette technique en référence à des dispositifs piézoélectriques, il est évident que des techniques analogues peuvent être utilisées avec d'autres composants dont la réponse électrique peut être perturbée par un faisceau laser incident. Par exemple, les lignes d'égal courant électrique d'une structure de circuit plan peuvent être tracées par contrôle de la modulation d'une réponse appropriée à un faisceau lumineux. Dans ces appli- cations, le coefficient local de variation de la résistance avec la température est la cause de la modulation du courant. REVENDICATIONS 1. Procédé d'essai d'un dispositif résonateur piézo- électrique, destiné à déterminer les caractéristiques vibrationnelles de surface de ce dispositif, caractérisé en ce qu'il comprend le maintien du dispositif (13) à un état oscillatoire, la direction d'un faisceau lumineux de forte intensité sur des régions choisies du dispositif, et la mesure de la fréquence, de la phase ou de la fréquence et de la phase d'oscillation du dispositif afin que, à partir des changements de fréquence, de phase ou de fréquence et de phase dépendant du faisceau lumineux, un diagramme vibrationnel de noeuds et de ventres soit déterminé à la surface du dispositif. - - 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif résonateur (13) est couplé à une boucle à verrouillage de phase à réponse lente dont les perturbations de phase sont représentatives des changements de fréquence dans le dispositif. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un métal d'apport est appliqué sur une ou plusieurs zones du dispositif correspondant à un ou plusieurs noeuds de vibration. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif est un cristal de quartz ou un dispositif à ondes acoustiques de surface. 5. Dispositif piézoélectrique, caractérisé en ce qu'il a été éprouvé par mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 6. Appareil d'essai d'un dispositif piézoélectrique destiné à déterminer ses caractéristiques vibrationnelles de surface, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (11, 12) destiné à maintenir le dispositif piézoélectrique à un état vibrationnel, un dispositif (21) destiné à diriger un faisceau lumineux de forte intensité sur des régions choisies du dispositif piézoélectrique, un disposi- tif destiné à déterminer la fréquence et la phase des vibrations du dispositif piézoélectrique, et un dispositif (20) de calcul d'un diagramme vibrationnel de noeuds et de ventres sur le dispositif & partir des perturbations de la fréquence et de la phase dues au faisceau lumineux. 7. Appareil d'essai d'un dispositif piézoélectrique, destiné à déterminer des caractéristiques vibrationnelles de sa surface, caractérisé en ce qu'il comprend un généra- teur de signaux (11) destiné à être accordé à la fréquence de résonance du dispositif piézoélectrique et couplé à celui-ci, un dispositif (14) de comparaison de la relation de phase entre les signaux transmis par le dispositif piézoélectrique et les signaux directement reçus à partir du générateur de signaux, un dispositif (21) destiné à diriger un faisceau lumineux pulsé de forte intensité sur des régions choisies du dispositif piézoélectrique afin que les vibrations de celui-ci soient perturbées, un intégra- teur (15) couplé entre le dispositif de comparaison et l'entrée d'accord du générateur de signaux afin qu'une boucle à verrouillage de phase soit formée avec une fré- quence centrale qui est la fréquence de résonance du dispo- sitif piézoélectrique, et un dispositif (20) de calcul d'un diagramme de noeuds et de ventres de vibration sur le dis- positif piézoélectrique à partir des perturbations de la boucle à verrouillage de phase dues à l'interaction du faisceau lumineux avec le dispositif piézoélectrique. 8. Appareil selon l'une des revendication 6 et 7, caractérisé en ce qu'un dispositif est destiné à déposer un métal d'électrode sur des régions de noeuds de vibration du dispositif piézoélectrique ou à retirer un tel métal de ces régions, afin qu'il assure l'accord du dispositif piézo- électrique à une fréquence prédéterminée.