Brevet FR2688954A1 — publié le 19930924

RESONATEUR POUR OSCILLATEUR THERMOSTATE A FAIBLE CONSOMMATION ET CHAUFFAGE RAPIDE La présente invention qui est due au travaux de Messieurs R BESSON, S GALLIOU et M MOUREY du laboratoire de chronométrie, électronique et piézoélectricité de l'Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques de l Université de Franche-Comté Besançon, France, concerne les résonateurs piézo-électriques et plus particulièrement un résonateur pour oscillateur thermostaté à faible consommation et chauffage rapide utilisable dans de nombreux domaines d'activités notamment l'avionique, les télécommunications ou bien encore les radars. On connait divers exemples de résonateurs piézo-électriques. Selon un premier exemple classique, un cristal résonateur est constitué par une plaquette de quartz bi-plan, plan-convexe ou bi-convexe à contour circulaire, sur les faces frontales de laquelle sont déposées directement des électrodes métalliques, dites électrodes adhérentes. Selon un autre exemple de réalisation, la plaquette de quartz à électrodes adhérentes est limitée extérieurement par une couronne en quartz servant au support du cristal-résonateur. Selon encore un autre exemple de réalisation, le cristal-résonateur est relié à une couronne en quartz par des ponts taillés dans la masse Les électrodes peuvent être adhérentes ou non adhérentes Dans ce dernier cas, les électrodes sont déposées sur des plaquettes de quartz de même coupe que le cristal et de forme similaire et seules les couronnes des plaquettes-support d'électrodes sont en contact avec la couronne du cristal vibrant. Cette disposition, dans laquelle le cristal est autosuspendu, en supprimant toutes diffusion métallique, thermocompressions ou fixations quelconques au niveau de la partie active du cristal, permet l'obtention d'une excellente stabilité en fréquence ainsi qu'une meilleure résistance aux chocs. Toutefois, cette stabilité en fréquence nécessite un parfait contrôle de la température dont les moindres fluctuations se répercutent sur la fréquence d'oscillation du cristal du résonateur C'est pourquoi, de manière habituelle, le résonateur est placé dans un thermostat de très haute précision destiné à limiter ces fluctuations mais dont malheureusement le fonctionnement nécessite un besoin d'énergie non négligeable. Ainsi actuellement, il n'existe pas d'oscillateur thermostaté dont la consommation soit inférieure à 100 m W et qui puisse, en outre, permettre de façon sûre une mise en fréquence à 10-9 qui serait effectuée en moins de 4 minutes. Or, le besoin d'un tel oscillateur est patent dans les domaines cités en tête de la description. La présente invention concerne donc un résonateur piézo-électrique, en particulier pour oscillateur thermostaté à faible consommation et chauffage rapide, du type comprenant, montés dans un boîtier étanche, au moins un cristal piézo-électrique interposé entre des première et seconde électrodes reliées respectivement à des premier et second conducteurs se prolongeant hors du boîtier, et un moyen de fixation du cristal piézo-électrique à l'intérieur du boîtier, le cristal piézo- électrique comprenant une partie centrale et une partie périphérique formant un anneau entourant à distance la partie centrale et reliée à celle-ci par une partie intermédiaire, présentant une faible longueur dans le sens radial, et dans laquelle est pratiquée une lumière, caractérisé en ce que la partie périphérique est reliée à la partie centrale par un unique pont de liaison constitué par la partie non évidée de cette partie intermédiaire, qui s'étend sur une faible fraction de la périphérie de cette partie intermédiaire et en ce que la partie centrale constitue la partie vibrante active du cristal tandis que la partie périphérique est immobilisée dans le boîtier par le moyen de fixation disposé de telle sorte qu'il soit thermiquement le plus éloigné possible de l'unique pont de liaison, ladite partie immobilisée et ledit pont constituant des moyens de suspension du cristal. Cette réalisation à un unique pont de liaison est remarquable en ce qu'elle assure une canalisation des flux thermiques de conduction et permet donc un contrôle considérablement amélioré de la température du résonateur. Le résonateur comprend un élément chauffant placé au plus près de la partie centrale vibrante, au niveau de la partie périphérique prolongeant l'unique pont de liaison, et un capteur de température disposé à côté de cet élément chauffant, et des moyens sont prévus pour réguler la puissance électrique de l'élément chauffant en fonction de la température mesurée par le capteur de température afin d'assurer une température constante pour le cristal piézo- électrique. Dans un premier mode de réalisation, la partie périphérique formant anneau est interrompue créant une ouverture dont l'une des parois est disposée dans le prolongement de l'un des bords latéraux du pont unique de liaison, l'autre paroi délimitant une extrémité libre à laquelle est fixé le moyen de fixation de telle sorte que celui-ci soit thermiquement le plus éloigné possible du pont unique de liaison recevant l'élément chauffant et le capteur de température. Selon une caractéristique particulière, la partie périphérique formant anneau peut varier continûment d'une largeur minimale au niveau du pont de liaison à une largeur maximale au niveau de son extrémité libre o se trouve placé l'élément de fixation, la largeur de la partie intermédiaire restant constante. Dans un second mode de réalisation, le moyen de fixation du cristal au boîtier est placé au niveau d'une zone de la partie périphérique située à lopposé du pont unique de liaison par rapport à la partie centrale active, et des restrictions thermiques sont pratiquées symétriquement dans cette partie périphérique, de part et d'autre de la partie centrale, de telle sorte que le moyen de fixation soit thermiquement le plus éloigné possible de l'élément chauffant et du capteur de température. Préférentiellement, les restrictions thermiques sont réalisées dans une direction perpendiculaire à la direction radiale définie par laxe de symétrie du pont unique de liaison. Selon une caractéristique particulière, la partie périphérique formant anneau peut présenter au moins deux largeurs distinctes, une première largeur pour une première partie de cet anneau comprise entre le pont unique de liaison et les restrictions thermiques et une seconde largeur pour une seconde partie comprise entre ces restrictions thermiques et le moyen de fixation, la largeur de la partie intermédiaire restant constante. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux à la lecture de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 montre une vue de dessus d'un résonateur selon l'invention dans lequel la couronne extérieure est interrompue, la figure la est une coupe selon la ligne Ia-Ia de la figure 1 montrant la mise en oeuvre d'un écran réflecteur, la figure 2 montre une autre configuration d'un résonateur selon l'invention présentant une couronne extérieure complète, la figure 3 est une configuration analogue à celle de la figure 2 dans laquelle la couronne extérieure présente une largeur variable dans le sens radial, la figure 4 est une configuration analogue à celle de la figure 1 dans laquelle la couronne extérieure présente une largeur variable dans le sens radial, les figures 5 et 6 représentent, selon deux variantes de réalisation, dans une configuration à électrodes adhérentes, des exemples de montages d'un résonateur, tel que celui de la figure 1, en coupe dans le plan VVI,VI, VII- V,VI,VII,VIII passant par le support du résonateur, et les figures 7 et 8 représentent selon deux variantes de réalisation, dans une configuration à électrodes non adhérentes, des exemples de montages d'un résonateur, tel que celui de la figure 1, en coupe dans le plan VVIVII, VIII- V,VI,VL,VIII passant par le support du résonateur. Les figures 1 et 2 sont des vues de dessus en coupe d'un résonateur selon deux modes de réalisation de l'invention. Un résonateur se présente classiquement sous la forme d'un plaquette de quartz ou tout autre matériau piézo-électrique analogue, présentant en général un contour circulaire. Selon l'invention, cette plaquette est évidée suivant un pourtour circulaire formant une lumière en forme de couronne sauf en un endroit particulier On obtient ainsi un disque comportant une partie centrale 1 reliée à une partie périphérique en forme d'anneau 2 par un unique pont de liaison 3 disposé dans une zone intermédiaire 4 présentant une faible longueur dans le sens radial l'évidement est réalisé de façon simple et connue par usinage ultrasonore par exemple et le pont de liaison est avantageusement réalisé sans former de discontinuité d'épaisseur avec les parties centrale 1 et périphérique 2. La largeur du pont unique de liaison 3 représente une faible fraction de la zone intermédiaire 4 qui n'excède pas en général cinq centièmes de la longueur de la courbe moyenne de la zone intermédiaire La disposition de ce pont n'est pas indifférente, la qualité du résonateur étant particulièrement bonne si ce pont unique 3 est disposé selon une direction correspondant à un minimum ou un maximum absolu ou relatif du module d'Young pour le cristal. La partie centrale 1 du cristal constitue sa partie active qui peut, soit être munie d'électrodes sur chacune de ses faces frontales, soit coopérer avec des électrodes indépendantes déposées sur des disques ou plateaux disposés en regard de chacune de ses faces frontales. La partie périphérique 2 qui constitue une partie de support pour le résonateur, est fixée au boitier par une fixation 5 par exemple en forme de pince Avantageusement, cette partie périphérique 2 peut être utilisée comme substrat de circuits électroniques tels que des oscillateurs ou des stabilisateurs par exemple. Comme on le sait, le cristal piézo-électrique d'un résonateur destiné à servir de référence de fréquence doit être porté à sa température d'inversion et maintenu rigoureusement à cette température, qui est supérieure à la température ambiante, pour que le système présente une stabilité dans le temps qui soit la meilleure possible. Cette mise en température et surtout le maintien à cette température sont réalisés selon linvention essentiellement par chauffage interne de la partie active 1 du cristal du résonateur Pour cela, un élément chauffant 6 est placé très près de la partie centrale vibrante 1 du résonateur, au niveau de la partie périphérique 2 prolongeant le pont unique de liaison 3 Un capteur de température 7 placé à côté de cet élément chauffant 6 et donc également au plus près de la partie vibrante 1, c'est-à-dire au niveau du pont de liaison 3, permet en outre une mesure de la température atteinte par le cristal. Une boucle de régulation, non représentée, mais qui peut être réalisée par l'homme de lart à partir de techniques classiques, assure une température constante au cristal en ajustant la puissance électrique de l'élément chauffant 6 en fonction de la température mesurée par le capteur ou sonde de température 7. Dans un premier mode de réalisation, représenté figure 1, la partie périphérique 2 en forme d'anneau est ouverte sur une distance qui peut être de l'ordre de la largeur du pont unique de liaison 3, l'une des parois de l'ouverture 8 ainsi pratiquée étant disposée dans le prolongement de l'un des bords latéraux du pont de liaison 3, l'autre paroi délimitant une extrémité libre de lanneau 2 ainsi interrompu Il est ainsi créé un parcours thermique LO, entre lélément chauffant 6 et la fixation 5 placée au niveau de cette extrémité libre, dont la longueur est sensiblement celle de la courbe moyenne de la partie périphérique 2 et qui présente une grande résistance thermique, lequel parcours canalise obligatoirement et de façon remarquable le flux thermique de conduction développé dans la partie vibrante du cristal 1 Cet éloignement le plus grand possible de la fixation 5 de lélément chauffant 6, du à la longueur de lanneau 2, permet un contrôle amélioré de la température du résonateur alors que cet anneau assure lui même une bonne isolation thermique vis à vis de lextérieur. La pose d'un écran réflecteur au niveau par exemple des surfaces externes des disques ou plateaux recevant les électrodes indépendantes dans le cas d'un résonateur du type à électrodes non-adhérentes ou bien directement sur la partie périphérique 2 dans le cas d'un résonateur du type à électrodes adhérentes, comme le montre par exemple figure la, peut par ailleurs permettre de réduire ou même d'éliminer les échanges par rayonnement pouvant exister entre le résonateur et le boîtier dans lequel il est placé sous vide Dans ce dernier cas, on peut observer que lécran réflecteur ou miroir 10 est accolé à la face interne de la partie périphérique 2 en faisant face à la partie centrale 1. L'évaluation du temps de stabilisation en fréquence est liée principalement à celle de la résistance thermique du résonateur à laquelle correspond une constante de temps propre qui peut être calculée et mesurée. En particulier, la résistance thermique RR dépend de langle a (lié au diamètre d de la partie vibrante 1 du cristal et à la largeur L du pont par la d relation-2 sin a = L) selon la formule suivante: RR = 2 >e Dt 2 j(K/W) o,\ est la conductibilité du quartz dans la direction du pont et e lépaisseur du quartz En appliquant cette formule, on voit aisément que la résistance thermique par exemple d'un résonateur 10 M Hz coupe SC partiel 3 peut varier de 630 K/W à 140 K/W et la constante de temps pour un tel résonateur est comprise entre 12 et 60 s La couronne 2 assure une bonne isolation thermique entre le pont 3 et la fixation 5 puisque sa résistance thermique est de l'ordre de 5000 K/W, ceci sous-entend donc la mise en jeu d'une puissance de chauffage extrêmenent faible. Des essais ont montré que la stabilisation en fréquence pouvait être obtenue au bout de 3 minutes avec une puissance de l'ordre de 30 m W avec un tel dispositif. Dans un second mode de réalisation, représenté figure 2, afin de conserver une certaine symétrie au résonateur et donc garder une faible sensibilité accélérométrique, l'anneau 2 n'est pas interrompu et se trouve complet, mais la fixation 5 de Panneau 2 est alors placée à l'opposé des éléments chauffant 6 et sonde thermique 7 Afin de conserver au parcours entre cet élément chauffant 6 et la fixation 5 une résistance thermique élevée, des restrictions thermiques 9 sont pratiquées symétriquement dans cet anneau 2, de part et d'autre de la partie centrale vibrante active 1 préférentiellement dans une direction perpendiculaire à la direction radiale définie par laxe de symétrie du pont unique de liaison 3. Il doit être noté que, comme représenté sur les figures 3 et 4, l'anneau 2 peut présenter une largeur non uniforme. Ainsi, dans le mode de réalisation de la figure 3, qui est du type comportant un anneau 2 complet, celui-ci présente deux largeurs distinctes, la première correspondant à la partie de cet anneau comprise entre le pont de liaison 3 et les restrictions thermiques symétriques 9 et la seconde correspondant à lautre partie comprise entre ces restrictions 9 et la fixation 5. Toutefois, la largeur de la partie intermédiaire 4 reste constante. Dans le mode de réalisation de la figure 4, qui est du type à anneau 2 interrompu, celui-ci présente une largeur variant continûment d'une largeur minimale au niveau du pont de liaison 3 et donc de l'élément chauffant 6 et de la sonde 7 à une largeur maximale au niveau de son extrémité libre sur laquelle est fixée la fixation 5, la partie centrale 1 ayant un diamètre constant La partie intermédiaire 4 présente elle- mêm également une largeur constante et faible dans le sens radial. Les figures 5 à 8 montrent, dans une configuration à électrodes adhérentes et dans une configuration à électrodes non-adhérentes, le positionnement dans son boitier du résonateur selon l'invention. Sur les figures 5 et 6, le boitier 15 comporte un support de base 16 sur lequel repose une paroi verticale 17, par exemple cylindrique, qui va recevoir la pince 18 maintenant le résonateur par sa partie périphérique 2 Les électrodes 19 et 20 adhérentes à la partie active du cristal 1 sont reliées par des fils de liaison 21 et 22 à des circuits électroniques, non représentés, de traitement des signaux, qui peuvent être situés à lextérieur du boitier 15 Toutefois, la partie périphérique 2 du résonateur peut elle-même être utilisée comme substrat des circuits électroniques associés au résonateur. Au niveau des figures 7 et 8, qui présentent une configuration à électrodes non-adhérentes, ces électrodes 19 et 20 sont maintenues autour de la partie active du cristal 1 par une partie supérieure 23 et une partie inférieure 24 recouvrant le résonateur et prenant appui sur la partie périphérique 2 Comme dans la réalisation précédente, des fils de liaisons 21 et 22 permettent de relier ces électrodes à des circuits électroniques pouvant être situés à lextérieur du boitier 15 Dans le cas des figures 7 et 8, la pince 18 maintenant le résonateur n'est plus directement en contact avec la partie périphérique 2 mais avec les faces externes des parties supérieure et inférieure 23,24, ce contact pouvant d'ailleurs être plan (figures 5 et 7) ou ponctuel (figures 6 et 8). REVENDICATIONS 1 Résonateur piézo-électrique à électrodes adhérentes ou non adhérentes au cristal, du type comprenant, montés dans un boîtier étanche, au moins un cristal piézo-électrique interposé entre des première et seconde électrodes reliées respectivement à des premier et second conducteurs se prolongeant hors du boîtier, et un moyen de fixation du cristal piézo-électrique à l'intérieur du boîtier, le cristal piézo-électrique comprenant une partie centrale ( 1) et une partie périphérique ( 2) formant un anneau entourant à distance la partie centrale et reliée à celle-ci par une partie intermédiaire ( 4), présentant une faible longueur dans le sens radial, et dans laquelle est pratiquée une lumière, caractérisé en ce que la partie périphérique ( 3) est reliée à la partie centrale ( 1) par un unique pont de liaison ( 3) constitué par la partie non évidée de cette partie intermédiaire ( 4), qui s'étend sur une faible fraction de la périphérie de cette partie intermédiaire ( 4),et en ce que la partie centrale ( 1) constitue la partie vibrante active du cristal tandis que la partie périphérique ( 2) est immobilisée dans le boîtier par le moyen de fixation ( 5) disposé de telle sorte qu'il soit thermiquement le plus éloigné possible de Punique pont de liaison ( 3), ladite partie immobilisée et ledit pont constituant des moyens de suspension du cristal. 2 Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un élément chauffant ( 6) placé au plus près de la partie centrale vibrante ( 1), au niveau de la partie périphérique ( 2) prolongeant Punique pont de liaison ( 3), et un capteur de température ( 7) disposé à côté de cet élément chauffant ( 6), et en ce que des moyens sont prévus pour réguler la puissance électrique de l'lément chauffant ( 6) en fonction de la température mesurée par le capteur de température ( 7) afin d'assurer une température constante pour le cristal piézo-électrique. 3 Résonateur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la partie périphérique ( 2) formant anneau est interrompue créant une ouverture ( 8) dont lune des parois est disposée dans le prolongement de run des bords latéraux du pont unique de liaison ( 3), lautre paroi délimitant une extrémité libre à laquelle est fixé le moyen de fixation ( 5) de telle sorte que celui-ci soit thermiquement le plus éloigné possible du pont unique de liaison ( 3) recevant lélément chauffant ( 6) et le capteur de température ( 7). 4 Résonateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la largeur de la partie périphérique ( 2) formant anneau varie continûment d'une largeur minimale au niveau du pont de liaison ( 3) à une largeur maximale au niveau de son extrémité libre o se trouve placé lélément de fixation ( 5), la largeur de la partie intermédiaire ( 4) restant constante. Résonateur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de fixation ( 5) du cristal au boîtier est placé au niveau d'une zone de la partie périphérique ( 2) située à l'opposé du pont unique de liaison ( 3) par rapport à la partie centrale active ( 1), et en ce que des restrictions thermiques ( 9) sont pratiquées symétriquement dans cette partie périphérique ( 2), de part et d'autre de la partie centrale ( 1), de telle sorte que le moyen de fixation ( 5) soit thermiquement le plus éloigné possible de l'élément chauffant ( 6) et du capteur de température ( 7). 6 Résonateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites restrictions thermiques sont réalisées dans une direction perpendiculaire à la direction radiale définie par l'axe de symétrie du pont unique de liaison ( 3). 7 Résonateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la partie périphérique ( 2) formant anneau présente au moins deux largeurs distinctes, une première largeur pour une première partie de cet anneau comprise entre le pont unique de liaison ( 3) et les restrictions thermiques ( 9) et une seconde largeur pour une seconde partie comprise entre ces restrictions thermiques ( 9) et le moyen de fixation ( 5), la largeur de la partie intermédiaire ( 4) restant constante. 8 Résonateur selon rune quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le pont unique de liaison ( 3), est disposé dans une direction qui correspond à un minimum ou un maximum absolu ou relatif du module d Young pour le cristal. 9 Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la partie périphérique ( 2) est recouverte d'un écran réflecteur ( 10) placé sur sa face interne faisant face à la partie centrale ( 1), afin de diminuer le rayonnement émis par le cristal. Résonateur selon rune quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est disposé dans une atmosphère dont la température est très inférieure à la température d'inversion du cristal piézo-électrique. 11 Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la partie périphérique ( 2) est utilisée comme substrat de circuits électroniques associés au résonateur tels que des circuits oscillateurs ou amplificateurs stabilisateurs. 12 Application du résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 à un oscillateur thermostaté à faible consommation et chauffage rapide.