Brevet FR2883370A1 — publié le 20060922

PROCEDE DE FABRICATION D'UN RESONATEUR MECANIQUE EN ETOILE POUR DISPOSITIF DE MESURE GYROMETRIQUE La présente invention concerne d'une façon générale la fabrication des résonateurs mécaniques en étoile pour dispositifs de mesure gyrométrique, ces résonateurs comportant une pluralité de poutres ou bras rayonnants s'étendant de façon sensiblement coplanaire à partir d'un noyau central commun selon une configuration en étoile et étant monolithiques en un matériau monocristallin intrinsèquement piézoélectrique. Des résonateurs de ce type sont décrits et illustrés dans les documents FR 2 741 150 et FR 2 741 151. En pratique, le résonateur est usiné dans une plaque de quartz coupe Z. Les électrodes d'excitation et les électrodes de détection sont situées sur les faces supérieures et inférieures (faces perpendiculaires à la direction Z qui est orthogonale au plan XY défini par les bras) des bras. Le résonateur est équilibré (c'est-à-dire isotrope en fréquence pour les modes utiles exploités) si, pour chaque bras, la fréquence du mode de flexion des poutres hors du plan et la fréquence des modes de flexion des poutres dans le plan sont égales. Cette condition d'équilibrage permet d'obtenir des conditions de mise en uvre électronique optimales en mode gyromètre, et donc permet d'accéder à des performances gyrométriques élevées. Pour cela, en théorie pour la configuration nominale de l'étoile, les bras doivent être de section sensiblement rectangulaire, cette forme rectangulaire permettant de corriger la dissymétrie de raideur apportée par l'encastrement aux modes utiles. Plus généralement, il n'y a pas d'impossibilité théorique à définir une géométrie de 2 2883370 section de poutre permettant d'obtenir des fréquences identiques pour les modes utiles. Toutefois, les conditions d'usinage, aussi précises soient-elles, font que la géométrie des bras n'est pas rigoureusement parfaite, de sorte que les fréquences du mode de flexion des poutres hors du plan et des modes de flexion des poutres dans le plan ne sont pas égales. Il est donc nécessaire de reprendre les bras un par un pour en modifier la géométrie individuelle afin de rendre les deux fréquences du mode de flexion des poutres hors du plan et des modes de flexion des poutres dans le plan de chacun d'eux aussi proches l'une de l'autre que possible, et de préférence égales l'une à l'autre. Pour des résonateurs mécaniques de type différent (résonateur à poutres vibrantes des documents FR 2 692 349 et FR 2 812 386), il est connu d'accorder les deux fréquences des modes utiles en forant des trous de diamètre et de longueur appropriés en des emplacements identifiés des poutres, de manière à en équilibrer la répartition des masses et des raideurs. Compte tenu des très faibles dimensions des bras du résonateur en étoile (épaisseur des bras typiquement de l'ordre de 400 m), la technique précitée ne pourrait être reconduite sur les bras d'un résonateur en étoile que par la mise en uvre d'un outil adapté. L'utilisation d'un laser conventionnel à impulsions longues n'est toutefois pas pertinente puisque les effets collatéraux liés au processus thermique d'ablation de matière (fissures, matière fondue redéposée) sont trop importants en regard des précisions recherchées. L'utilisation d'un laser à impulsions ultra courtes ne présente pas ces inconvénients techniques, mais apporte un surcoût très important à l'opération d'équilibrage. Ceci est d'ailleurs le travers 3 2883370 que l'on peut reprocher à d'autres procédés comme les procédés de type gravure ionique. L'invention a essentiellement pour but de proposer une solution technique perfectionnée et originale qui écarte les inconvénients exposés ci-dessus et qui autorise un usinage très précis des bras du résonateur en étoile de manière à obtenir l'égalité sensible des fréquences du mode de flexion des poutres hors du plan et la fréquence des modes de flexion des poutres des bras et l'isotropie en fréquence du résonateur. A ces fins, l'invention propose un procédé de fabrication d'un résonateur mécanique en étoile pour dispositif de mesure gyrométrique, ce résonateur comportant une pluralité de poutres ou bras rayonnants s'étendant de façon sensiblement coplanaire à partir d'un noyau central commun et étant monolithique en un matériau monocristallin intrinsèquement piézoélectrique, lequel procédé se caractérise, conformément à l'invention, en ce qu'il comprend les étapes suivantes: -on configure une ébauche de résonateur mécanique en étoile dans laquelle la fréquence du mode de flexion des poutres hors du plan est supérieure à la fréquence des modes de flexion des poutres dans le plan; et - on attaque les faces supérieures et inférieures des bras de l'ébauche avec un produit chimique qui possède une vitesse d'attaque prédéterminée sensiblement selon la seule direction Oz perpendiculaire au plan défini par les bras, pendant un temps tel que la réduction d'épaisseur des bras corresponde à un abaissement de la fréquence du mode de flexion hors du plan des ébauches de poutres ou bras rendant ladite fréquence du mode de flexion hors du plan sensiblement égale à la fréquence des modes de flexion dans le plan. En pratique, seules les extrémités des bras, situées en dehors des zones d'apposition des électrodes d'excitation et de détection du résonateur, sont soumises à l'attaque du produit chimique. L'ébauche, avec ses parties autres que lesdites extrémités protégées par masquage, peut être plongée dans un bain dudit produit chimique pendant le temps nécessaire à l'obtention du résultat recherché. En général, il est possible de trouver des produits chimiques propres à attaquer un matériau déterminé avec une vitesse suffisamment peu rapide pour que l'épaisseur de matériau éliminée, ou de façon corollaire l'épaisseur de matériau subsistante, soit contrôlable de manière précise, par exemple avec une précision de l'ordre du micron. Ainsi, grâce aux dispositions conformes à l'invention, on est en mesure de procéder à un usinage très fin et très précis des extrémités des bras du résonateur mécanique: il devient ainsi possible d'ajuster très précisément la fréquence du mode de flexion hors du plan, et donc de la rendre sensiblement égale à la fréquence des modes de flexion dans le plan sensiblement; autrement dit, il devient possible de réaliser un résonateur sensiblement isotrope en fréquence. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit de certains modes de réalisation préférés donnés uniquement à titre d'exemples nullement limitatifs. Dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels: - les figures lA à 1C sont des représentations très schématiques illustrant respectivement plusieurs étapes du procédé conforme à l'invention; et -les figures 2A et 2B montrent un dispositif permettant la mise en oeuvre correcte du procédé de l'invention, ledit dispositif étant montré respectivement en position ouverte et en position fermée. L'invention se situe dans le processus de la fabrication d'un résonateur mécanique en étoile pour un dispositif de mesure gyrométrique, ce résonateur comportant une pluralité de poutres ou bras rayonnants s'étendant de façon sensiblement coplanaire à partir d'un noyau central commun et étant monolithique en un matériau monocristallin intrinsèquement piézoélectrique, par exemple tel que ceux faisant l'objet des documents FR 2 741 150 et FR 2 741 151. A cette fin, on fabrique une ébauche 1 de résonateur mécanique en étoile qui, comme montré à la figure 1A, comporte une pluralité de poutres ou bras 2 qui s'étendent de façon sensiblement coplanaire (schématisé par les axes Ox, Oy à la figure 1A) à partir d'un noyau 3 central commun pouvant par exemple présenter un évidement 4 central pour le montage de l'ébauche et/ou ensuite du résonateur sur un moyeu de support. Les poutres ou bras 2 sont répartis de façon angulairement sensiblement équidistante (6 bras écartés de 60 dans l'exemple illustré à la figure 1A). L'ébauche 1 est monolithique en un matériau monocristallin intrinsèquement piézoélectrique, et notamment en quartz. Les poutres ou bras 2 sont de section sensiblement rectangulaire. Conformément à l'invention, on configure l'ébauche 1 de manière que la fréquence du mode de flexion des bras hors du plan des bras 2, c'est-àdire transversalement au plan Ox, Oy, soit supérieure à la fréquence des modes de flexion des bras dans le plan des bras 2, c'est-à-dire parallèlement au plan (Ox, Oy). Autrement dit, comme 6 2883370 montré à la figure lA on donne aux bras 2 une épaisseur D (mesurée parallèlement à l'axe Oz) qui est de façon certaine supérieure à la valeur d (D > d) requise pour le fonctionnement correct du résonateur. Ce résultat peut être obtenu par un usinage chimique en faisant agir un produit chimique approprié sensiblement symétriquement sur les faces supérieures 5 et inférieures 6 des bras 2 de l'ébauche 1, pendant un temps tel que la réduction d'épaisseur des bras 2 de l'ébauche parallèlement à l'axe Oz corresponde à un abaissement de la fréquence du mode de flexion hors du plan des ébauches de bras rendant ladite fréquence du mode de flexion hors du plan sensiblement égale à la fréquence des modes de flexion dans le plan. De façon pratique, il est judicieux de ne pas modifier la forme des bras 2 dans leurs zones destinées à recevoir les électrodes d'excitation et de détection. De ce fait, il suffit, comme illustré à la figure 1B, d'attaquer les extrémités 10 (situées en dehors des zones d'apposition des électrodes d'excitation et de détection) des bras 5 de l'ébauche 1 avec un produit chimique 9 qui possède une vitesse d'attaque prédéterminée sensiblement parallèlement (flèches 8) à la seule direction de l'axe Oz (sur la figure 1B on a supposé les zones hachurées revêtues d'un produit de masquage et protégées de l'attaque chimique), pendant un temps tel que la réduction d'épaisseur des bras de l'ébauche parallèlement à l'axe Oz rende la fréquence du mode de flexion hors du plan sensiblement égale à la fréquence des modes de flexion dans le plan. Au bout du compte, on obtient, comme représenté à la figure 1C, une structure 1' de résonateur en étoile dont les poutres ou bras 2 radiants présentent des extrémités 10 d'épaisseur d réduite de façon telle que la fréquence du mode de flexion hors du plan (Ox, Oy) des bras 2 soit sensiblement égale à la fréquence des modes de flexion desdits bras 2 dans le plan (Ox, Oy). La mise en uvre pratique des dispositions de l'invention qui viennent d'être exposées peut s'effectuer de diverses manières. En particulier, on peut prévoir avantageusement qu'après la fabrication de l'ébauche 1 de résonateur on 10 met en uvre les étapes suivantes: - on mesure l'écart des fréquences du mode de flexion hors du plan et des modes de flexion dans le plan des bras 2 de l'ébauche; et -connaissant la variation de la fréquence en fonction de la variation d'épaisseur pour le matériau constitutif des bras 2 (de façon typique, cette grandeur est de l'ordre de 10 Hz/ m pour le quartz), on détermine la réduction d'épaisseur des bras 2 à réaliser pour amener la fréquence du mode de flexion hors du plan sensiblement à la même valeur que la fréquence des modes de flexion dans le plan; - ensuite de quoi on fait agir le produit chimique d'attaque, ayant une vitesse d'attaque prédéterminée selon la direction Oz, pendant le temps nécessaire à l'obtention d'une réduction d'épaisseur égale à la valeur déterminée. De préférence, les produits chimiques les mieux appropriés pour l'attaque des matériaux cristallins dont peuvent être constitués le résonateur sont des acides, dont le choix se fait en relation avec le matériau cristallin. De façon pratique, lorsque le matériau constitutif du résonateur en étoile est du quartz comme c'est en général le cas pour ce type de composant, le produit chimique d'attaque du quartz peut être une solution de bifluorure d'ammonium NH4-HF2: cet acide offre l'intérêt d'attaquer le quartz selon la direction Oz avec une vitesse de l'ordre de cinquante fois supérieure à celles des attaques selon les directions Ox et Oy; on est ainsi assuré que l'attaque du matériau se fera avec une sélectivité directionnelle satisfaisante, les pertes dimensionnelles selon les directions Ox et Oy étant négligeables en regard de la réduction de dimension en épaisseur selon la direction Oz. Comme exposé plus haut, seules les extrémités 10 des bras 2 ont à subir une réduction contrôlée d'épaisseur. Une solution technique facile à mettre en uvre consiste alors à protéger (masquage) les zones de l'ébauche 1 qui doivent être épargnées par l'agent d'attaque chimique, comme suggéré par les zones hachurées il à la figure 1B, seules les zones à attaquer (extrémités 10 des bras) restant dégagées. L'ébauche 1 ainsi partiellement protégée est alors plongée dans un bain du produit d'attaque 9 comme suggéré à la figure 1B. L'opération de masquage pourrait certes être menée en revêtant les zones à protéger d'un produit de masquage et à plonger l'ébauche 1 telle quelle dans le bain du produit d'attaque 9. Toutefois, l'application d'un tel produit n'est ni aisée, ni précise puisque la pièce est tridimensionnelle et de petites dimensions. 1l s'agit là d'une difficulté mécanique qui risque d'empêcher l'obtention d'une structure 1' ayant les caractéristiques recherchées avec toute la précision souhaitée. Pour pallier cette difficulté, il faut donc prévoir de supporter l'ébauche 1 au cours du processus d'attaque chimique de manière que l'ébauche conserve sa 9 2883370 forme exacte et que l'élimination de matière soit réalisée de façon géographiquement très précise. Pour ce faire, on prévoit, comme illustré à la figure 2A, de déposer l'ébauche 1 sur une face 12 d'un support 13 massif, cette face étant de forme générale circulaire et étant agencée pour bloquer l'ébauche 1. On peut à cet effet prévoir que la surface 12 présente des secteurs alternativement de niveau haut et de niveau bas, respectivement 14, 15 qui définissent entre eux des épaulements 16 radiaux contre lesquels prennent appui les bras 2 de l'ébauche 1. Le support 13 possède un diamètre moindre que l'étendue radiale des bras 2 de l'ébauche 1, de sorte que les extrémités 10 desdits bras dépassent du support 13 comme visible à la figure 2A. Au support 13 est associé une pièce formant couvercle 17 propre à venir reposer sur la face 12 du support 13 par une face 18 qui est conformée de façon complémentaire à cette dernière, avec des secteurs alternativement de niveau haut et de niveau bas respectivement 19, 20, propres à s'emboîter respectivement avec les secteurs de niveau bas 15 et de niveau haut 14 du support 13. Une fois le couvercle 17 en place sur le support 13 comme illustré à la figure 2B, l'ébauche 1 se trouve enfermée dans un carter de protection qui enveloppe et protège le noyau et les tronçons des bras qui n'ont pas à être soumis à l'action de l'acide; seules dépassent les extrémités 10 des bras 2. L'ensemble est ensuite plongé dans un bain de la solution d'attaque pendant le temps déterminé pour l'obtention de la réduction d'épaisseur souhaitée des extrémités des bras 2. L'ébauche 1 et ses bras 2 sont bloqués mécaniquement dans le carter de protection, de sorte qu'aucun mouvement des extrémités 10 2883370 des bras 2 est possible au cours du processus d'attaque (qui peut durer pendant plusieurs heures) : l'élimination de matière se produit ainsi avec une très grande précision. Le matériau constitutif de ce carter de protection sera un matériau insensible à l'acide, comme par exemple une résine fluorocarbonée telle que commercialisée sous le nom Téflon lorsque l'acide utilisé est le bifluorure d'ammonium NH4-HF2. 11 2883370 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un résonateur mécanique en étoile pour dispositif de mesure gyrométrique, ce résonateur comportant une pluralité de bras rayonnants s'étendant de façon sensiblement coplanaire à partir d'un noyau central commun et étant monolithique en un matériau monocristallin intrinsèquement piézoélectrique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - on configure une ébauche (1) de résonateur mécanique en étoile dans laquelle la fréquence du mode de flexion des bras hors du plan est supérieure à la fréquence des modes de flexion des bras dans le plan; 15 et - on attaque les faces supérieures (5) et inférieures (6) des bras (2) de l'ébauche avec un produit chimique (9) qui possède une vitesse d'attaque prédéterminée sensiblement selon la seule direction Oz perpendicu- laire au plan des bras (2), pendant un temps tel que la réduction d'épaisseur des bras (2) corresponde à un abaissement de la fréquence du mode de flexion hors du plan des bras rendant ladite fréquence du mode de flexion hors du plan sensiblement égale à la fréquence des modes de flexion dans le plan; ce grâce à quoi on réalise un résonateur mécanique en étoile sensiblement équilibré dont les fréquences du mode de flexion hors du plan et des modes de flexion dans le plan des bras (2) sont sensiblement égales. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'après la fabrication de l'ébauche (1) de résonateur: 12 2883370 - on mesure l'écart des fréquences du mode de flexion hors du plan et des modes de flexion dans le plan des bras de l'ébauche; et - connaissant la variation de la fréquence en fonction de la variation d'épaisseur pour le matériau constitutif des bras du résonateur, on détermine la réduction d'épaisseur des bras (2) à réaliser pour amener la fréquence du mode de flexion hors du plan sensiblement à la même valeur que la fréquence du mode de flexion dans le plan; - ensuite de quoi on fait agir le produit chimique d'attaque (9) ayant une vitesse d'attaque prédéterminée selon la direction Oz pendant le temps nécessaire à l'obtention d'une réduction d'épaisseur égale à la valeur déterminée. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que seules les extrémités (10) des bras (2), situées en dehors des zones d'apposition des électrodes d'excitation et de détection du résonateur, sont soumises à l'attaque du produit chimique. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le produit chimique d'attaque (9) est un acide. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau constitutif de l'ébauche (1) est du quartz et en ce que le produit chimique d'attaque (9) est une solution de bifluorure d'ammonium NH4-HF2. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on dispose l'ébauche (1) dans un carter propre à supporter celle- ci de façon mécaniquement rigide et enfermant ladite ébauche (1) à l'exception des extrémités (10) des bras (2) et en ce que l'ensemble est plongé dans un bain du produit chimique d'attaque (9).