Brevet FR2684835A1 — publié le 19930611

2684835- La présente invention concerne des résonateurs à cristaux de quartz, et en particulier des résonateurs qui conviennent aux applications à hautes fréquences nécessi- tant des tolérances serrées. Un résonateur à quartz à faibles pertes, comporte habituellement une lame de quartz dont la taille ou l'orientation cristalline est convenable, pilotée par des électrodes placées de part et d'autre de la lame On a constaté que l'épaississement de la partie de la lame ayant les électrodes, soit par métallisation des électrodes soit par réalisation de la lame avec un profil convexe, permet- tàit le piégeage de la vibration mécanique à l'intérieur de la région d'électrodes et la formation d'un dispositif à faibles pertes Le dispositif peut être monté par un bord ou un rebord sans perturbation notable de la vibration de la région active Par exemple, le dispositif est monté en des points séparés à l'aide de pinces élastiques et d'une résine chargée d'argent, si bien qu'un contact électrique est réalisé avec le dispositif. Cette réalisation pose un certain nombre de pro- blèmes La fréquence du dispositif est inversement propor- tionnelle à son épaisseur et elle est donc sensible à la présence de films superficiels, par exemple d'eau ou de matières organiques C'est pour cette raison que les dispositifs devant respecter des tolérances serrées sont enfermés hermétiquement soit sous vide, soit en atmosphère d'azote sec Cependant, on a constaté que la région chargée d'argent, utilisée pour la formation des contacts du dispositif, était une source de traces de matières orga- niques qui pouvait provoquer un vieillissement du dispositif. Par exemple, le mode vibrationnel piégé dans le dispositif est un mode transversal par rapport à l'épais- seur Cependant, un tel mode est inévitablement associé à des vibrations de flexion qui ne sont pas piégées et atteignent donc le bord du dispositif Dans les montages classiques en des points séparés, ces vibrations sont réfléchies partiellement dans la région du résonateur Dans certaines fréquences, elles interfèrent de manière cons- tructrice et donnent des résonances dans l'ensemble de la lame Ces résonances peuvent être proches en fréquence et peuvent présenter de faibles coefficients de variation avec la température Le résultat est que, lorsque leur fréquence passe par la fréquence de la résonance piégée voulue, elles interfèrent avec cette résonance et provoquent des "puits d'activité" avec une anomalie associée de fréquence En outre, de légères variations des conditions limites au bord de la plaque peuvent provoquer des variations importantes des fréquences dans ces résonances de la lame et en consé- quence des températures auxquelles elles interfèrent avec le mode principal Ceci provoque un phénomène d'hystérésis thermique qui pose des problèmes dans le cas des oscilla- teurs piézoélectriques à compensation de température. Un autre problème important posé par le montage classique en des points séparés est la sensibilité aux vibrations du dispositif final En théorie, si le dispo- sitif de montage est totalement symétrique et si la vibra- tion est placée au centre de symétrie, la sensibilité aux vibrations disparaît dans toutes les directions Cependant, en pratique, cette caractéristique est très difficile à obtenir à cause de la difficulté de positionnement de la résine chargée d'argent ou d'autres structures de montage à l'emplacement précis nécessaire. L'invention a pour objet la réduction au minimum ou la suppression de ces inconvénients. Une solution apportée au problème précité est le montage du dispositif dans un boîtier de quartz Cette technique est décrite dans le brevet britannique n' 2 202 989 qui décrit et revendique un ensemble à résona- teur piézoélectrique comprenant un résonateur piézoélec- trique, ainsi qu'un premier et un second organe de boîtier qui coopèrent à la délimitation d'une cavité dans laquelle est placé le résonateur, et les organes du boîtier sont formés du même matériau cristallin et en conséquence avec la même orientation cristalline que le résonateur. Bien que cette structure se soit révélée satisfai- sante pendant le fonctionnement, la fabrication des organes de boîtier dans lequel le résonateur est enfermé représente un coût important de traitement. La présente invention concerne un dispositif à résonateur piézoélectrique de quartz, comprenant un élément résonateur et un premier et un second organe de boîtier, et l'élément résonateur est une lame de quartz ayant une partie centrale profilée entourée par une cavité annulaire afin que l'énergie vibrationnelle soit piégée dans sa partie centrale, et les organes de boîtier comportent chacun une lame plate de quartz fixée à la surface respec- tive de l'élément résonateur à sa périphérie. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation, faite en réfé- rence au dessin annexé qui est une coupe d'un dispositif à résonateur de quartz dans son conditionnement. On se réfère au dessin; le dispositif comporte un élément résonateur 11 de quartz monté entre deux lames plates 12, 13 de boîtier formées de quartz L'élément résonateur 11 est une lame de quartz profilée dans sa région centrale de façon générale afin qu'il délimite une région convexe ou en forme de lentille 110 entourée par une cavité annulaire 111 La configuration géométrique, c'est- à-dire la profondeur et le rayon de courbure de la cavité, est déterminée afin que le mode vibrationnel préféré de cisaillement par rapport à l'épaisseur soit piégé dans la région 110 De préférence, la cavité et la surface profilée sont symétriques par rapport au centre de la lame formant le résonateur. L'élément résonateur Il peut être mis au profil voulu par un procédé d'attaque par un plasma à hautes fréquences. Le rebord de l'élément résonateur 11 a la même épaisseur que la région centrale 110 Ceci permet l'utili- sation de lames plates 12, 13 d'étanchéité fixées à la périphérie de l'élément 11 par un joint hermétique 14 formé par exemple d'un verre à faible température de fusion ou d'un alliage métallique L'épaisseur du joint 14 détermine la distance de séparation des lames 12, 14 et de la région active de l'élément résonateur 11 Comme le joint d'étan- chéité est entièrement minéral, le problème de l'émission d'une contamination est éliminé Dans certaines applica- tions, le joint d'étanchéité peut être formé par liaison électrostatique ou liaison par diffusion. L'opération de fermeture étanche est réalisée à des températures élevées, par exemple de 400 à 500 'C, et sous pression réduite ou sous vide. La surface externe de l'une ou des deux lames 12 peut former un substrat, par exemple pour un circuit en couche mince, afin que l'ensemble forme un oscillateur conditionné. Il est avantageux que la surface interne des lames 12 et 13 et les deux surfaces de l'élément résonateur 11 soient revêtues d'or assurant des flexions moléculaires équilibrées entre les surfaces Le revêtement d'or de l'élément 11 permet aussi la formation des électrodes de pilotage. Les lames 12, 13 présentent un alignement de leur orientation cristalline par rapport à l'élément résonateur 11 afin que toute différence de comportement thermique soit pratiquement éliminée Les tailles cristallines utilisées pour l'élément résonateur sont habituellement des tailles AT ou SC, cette dernière étant une taille à double rotation présentant un certain nombre d'avantages, tels qu'une compensation des contraintes Les dispositifs à taille SC sont cependant plus coûteux à réaliser La rotation angu- laire autour de l'axe X détermine le coefficient de dilata- tion thermique dans le plan de la lame Comme cet angle est le même pour la taille SC et la taille AT de moindre coût, il est possible d'utiliser des lames de boîtier à taille AT avec un élément résonateur à taille SC. La structure conditionnée a une faible sensibilité aux vibrations dans les deux directions latérales La faible sensibilité dans la direction de l'épaisseur est assurée par maintien du profil et en conséquence de la distribution vibrationnelle symétriquement autour du centre du profil de la lame du résonateur 11. Les modes de flexion créés par excitation du mode de cisaillement par rapport à l'épaisseur qui est piégée atteignent obligatoirement le bord de la lame du résona- teur Grâce au joint hermétique formé à la limite de la lame du résonateur, cette énergie est couplée aux deux lames d'étanchéité 12, 13 L'application d'un absorbeur acoustique convenable, par exemple un film de matière plastique (non représenté) sur les faces externes de ces plaques empêche la réflexion des ondes de flexion vers la plaque du résonateur De cette manière, les puits gênants d'activité et leur effet sur l'hystérésis thermique sont pratiquement éliminés On constate aussi que, lorsque les surfaces externes de la lame 12 sont dépolies, une absorp- tion acoustique efficace est assurée. L'or appliqué aux surfaces internes des lames d'étanchéité 12, 13 peut être utilisé pour un ajustement fin de la fréquence du dispositif Un faisceau laser commandé et dirigé à travers une lame évapore l'or de la surface afin que l'or se dépose à la surface de la lame du résonateur Cet or supplémentaire augmente la charge massique de la lame du résonateur et réduit ainsi sa fréquence. La structure peut être montée dans un boîtier de matière plastique contenant une mousse d'absorption des chocs. Il faut noter que la technique décrite précédemment peut être utilisée pour la construction de filtres qui comportent un certain nombre de résonateurs couplés de manière convenable Il est possible de réaliser un certain nombre de résonateurs sur une seule lame monolithique de résonateur, avec couplage électrique ou acoustique entre les résonateurs individuels De tels résonateurs multiples convenablement raccordés peuvent alors être enfermés de manière étanche par des lames de quartz comme décrit précédemment, pour la formation d'un filtre Dans une variante, un nombre quelconque de résonateurs uniques ou multiples peuvent être alignés et empilés les uns sur les autres, par utilisation de la même opération de fermeture étanche du boîtier avec des lames de fermeture qui forment les couches externes des dispositifs Un tel dispositif peut être raccordé soit sous forme d'un filtre, soit sous forme de résonateurs isolés destinés à des applications qui nécessitent un certain nombre de fréquences. REVENDICATIONS 1 Dispositif résonateur piézoélectrique à quartz, comprenant un élément résonateur monté entre un premier et un second organe de boîtier, caractérisé en ce que l'élé- ment résonateur ( 11) est une lame de quartz ayant une partie centrale profilée ( 110) entourée par une cavité annulaire ( 111), afin que l'énergie vibrationnelle soit piégée dans la partie centrale, et en ce que les organes ( 12, 13) du boîtier comportent chacun une lame plate de quartz fixée à la surface respective de l'élément résona- teur à sa périphérie. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément résonateur ( 11) est un dispositif à taille SC. 3 Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les organes de boîtier ( 12, 13) sont formés d'un matériau à taille AT. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que les organes de boîtier ( 12, 13) ont leur orientation cristalline alignée sur celle de l'élément résonateur ( 11) afin que les différences de comportement thermique soient minimales. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que les surfaces de l'élé- ment résonateur ( 11) et les surfaces tournées vers l'inté- rieur des organes de boîtier ( 12, 13) sont revêtues d'or. 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que les organes du boîtier ( 12, 13) sont fixés à l'élément résonateur ( 11) par un verre à faible température de fusion ou un alliage métal- lique à faible température de fusion. 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que les lames ( 12, 13) du boîtier sont fixées à l'élément résonateur ( 11) par une liaison électrostatique ou par diffusion. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que la surface externe de l'un au moins des organes de boîtier ( 12, 13) est munie d'une couche d'absorption acoustique. 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 8, caractérisé en ce que l'espace entourant l'élément résonateur est évacué. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 9, caractérisé en ce que la lame du résonateur ( 11) forme plusieurs résonateurs profilés individuels. 11 Ensemble empilé, caractérisé en ce qu'il com- prend plusieurs dispositifs résonateurs selon l'une quel- conque des revendications 1 à 10.