CH722135A2 - Résonateur à diapason - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un résonateur à diapason (10) ayant une conception permettant des dimensions réduites de résonateurs tout en maintenant un facteur de qualité élevé. Le résonateur à diapason (10) comprend une tige (11), une première barre de résonateur (15a) et une deuxième barre de résonateur (15b) Les barres de résonateur sont espacées l'une de l'autre, couplées à la tige (11) et disposées dans un plan sensiblement perpendiculaire à la hauteur (12) de la tige (11) La première barre de résonateur (15a) et la deuxième barre de résonateur (15b) ont une épaisseur (17a, 17b) comprise entre 0,05 % et 20 % de la hauteur (12) de la tige (11)

Description

Domaine technique

[0001] La présente invention concerne un résonateur à diapason ayant une géométrie permettant des tailles réduites de résonateurs tout en maintenant un facteur de qualité élevée.

Contexte

[0002] Les résonateurs à diapason comprennent généralement au moins deux dents (également appelées barres ou bras vibrants) et au moins une tige (ou une base) couplant les dents. La tige et les dents sont généralement coplanaires. Les résonateurs à diapason peuvent être fabriqués, par exemple, en silicium ou en quartz. Les dents sont généralement agencées parallèlement et symétriquement les unes par rapport aux autres. Les dents sont généralement dotées d'électrodes, comme divulgué par exemple dans le document EP3468037, ou de bandes piézoélectriques, comme divulgué par exemple dans le document EP2278709. Les électrodes ou les bandes piézoélectriques peuvent être couplées à une tension alternative provoquant la vibration des dents du diapason. Dans les diapasons conventionnels, les dents sont incluses dans un plan de vibration et vibrent dans ce plan de vibration.

[0003] L'une des caractéristiques d'un résonateur est son facteur de qualité Q (également appelé „facteur Q“ ou „Q“), qui est généralement défini comme le rapport entre l'énergie stockée dans le résonateur et l'énergie perdue par cycle d'oscillation. Plus la valeur du facteur Q est élevée, meilleures sont les caractéristiques de résonance du résonateur. Un facteur Q élevé permet d'obtenir une faible résistance du résonateur.

[0004] L'un des objectifs des fabricants de résonateurs est de réduire la taille des résonateurs tout en maintenant un facteur de qualité élevé et la valeur de la fréquence de résonance. L'un des principaux problèmes liés à la miniaturisation des résonateurs à mode de flexion à basse fréquence est la diminution du facteur de qualité Q, qui entraîne une augmentation de la résistance due à l'amortissement thermoélastique. L'amortissement thermoélastique est le plus élevé lorsque le temps de relaxation thermique τ (tau) d'une barre de résonateur dans la direction d'oscillation est égal à l'inverse de la fréquence angulaire ω=2πf de la résonance, c'est-à-dire si ω•τ=1.

[0005] En raison des propriétés thermomécaniques du quartz, nous trouvons ω•τ > 1 pour les résonateurs à diapason courants fonctionnant à 32 768 Hz.

[0006] La réduction de la taille d'une géométrie donnée entraînera une diminution de τ (tau) et donc de ω•τ. Par conséquent, Q continuera à diminuer avec la taille jusqu'à ce que ω•τ=1 soit atteint. Pour des structures encore plus petites, Q augmentera à nouveau.

[0007] En contrepartie, la conception de résonateur vise à maximiser τ (tau), par exemple en gravant des rainures dans les barres de résonateur des deux côtés, ce qui donne à la section transversale d'une barre la forme d'un H, laissant une fine membrane entre les parois latérales. Des exemples de petits résonateurs piézoélectriques présentant cette caractéristique sont décrits dans le document EP3468037 B1. Certaines de ces solutions consistent à graver une rainure dans les bras vibrants afin de réduire la consommation d'énergie en fournissant un champ électrique plus homogène. D'une part, les rainures fournissent une isolation thermique entre le côté compressif et le côté extensible, ce qui augmente Q et diminue la résistance. D'autre part, en raison des parois minces et à bordure haute, le champ électrique est plus homogène et plus fort, ce qui augmente la capacité dynamique et réduit la résistance. Plus particulièrement, chaque barre de résonateur comprend une première rainure sur un premier côté et une deuxième rainure sur le côté opposé de sorte que la profondeur de la première rainure et celle de la deuxième rainure soient différentes. La miniaturisation de ce type de résonateurs peut être limitée par la complexité de leur conception et les possibilités d'usinage.

[0008] Outre l'objectif principal des rainures, à savoir l'augmentation du couplage piézoélectrique en raison de leurs parois latérales étroites et hautes, la fine membrane située entre celles-ci ralentit la thermalisation à l'intérieur de la barre, ce qui augmente τ (tau). Toutefois, cette technique ne compense que partiellement la diminution du facteur Q en fonction de la taille.

[0009] Les propriétés thermiques et mécaniques exceptionnelles du quartz en font le matériau de prédilection pour les résonateurs à diapason.

[0010] Il est nécessaire de miniaturiser les résonateurs à diapason, de préférence les résonateurs à diapason en quartz, et de proposer de nouvelles conceptions de ces résonateurs afin d'atteindre le régime ω•τ << 1 en quartz où Q augmente à nouveau à des niveaux raisonnables.

Résumé de l'invention

[0011] La présente invention vise à proposer un résonateur à diapason de taille réduite et présentant un facteur de qualité Q relativement élevé.

[0012] Dans un premier aspect, la présente invention concerne un résonateur à diapason comprenant :

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une tige ayant une première hauteur s'étendant d'une première base à une deuxième base, et ;

–

une première barre de résonateur et une deuxième barre de résonateur espacées l'une de l'autre, couplées à la tige et disposées dans un plan sensiblement perpendiculaire à la hauteur de la tige ;

caractérisé en ce que la première barre de résonateur et la deuxième barre de résonateur ont une épaisseur comprise entre 0,05 % et 20 % de la première hauteur de la tige.

[0013] De préférence, le résonateur à diapason est configuré de manière à permettre aux barres de résonateur d'osciller dans un mode hors plan.

[0014] De préférence, la première barre de résonateur comprend un premier ensemble piézoélectrique et la deuxième barre de résonateur comprend un deuxième ensemble piézoélectrique, tous deux disposés sur leurs surfaces respectives, chacun des premier et deuxième ensembles piézoélectriques comprenant :

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une première couche d'électrode sur une surface de la barre de résonateur ;

–

une couche piézoélectrique sur la première électrode, et ;

–

une deuxième couche d'électrode sur la couche piézoélectrique; dans lequel:

–

la première couche d'électrode du premier ensemble piézoélectrique et la deuxième couche d'électrode du deuxième ensemble piézoélectrique sont électriquement couplées à une première plage d'accueil configurée pour être couplée à un premier pôle d'une source électrique alternative, et;

–

la deuxième couche d'électrode du premier ensemble piézoélectrique et la première couche d'électrode du deuxième ensemble piézoélectrique sont électriquement couplées à une deuxième plage d'accueil configurée pour être couplée à un pôle opposé de la source électrique alternative.

[0015] De préférence, la tige et les barres de résonateur sont en quartz, de préférence en quartz à coupe en Z. D'autres matériaux peuvent également être choisis, tels que la langasite, le GaPO<4>ou le silicium partiellement oxydé, ou tout composé ayant une orientation cristalline pour laquelle au moins le coefficient fréquence-température du premier ordre du résonateur est nul ou quasi nul, par exemple inférieur à 1 ppm/K en valeur absolue. La fréquence de résonance f des résonateurs à diapason en fonction de la température T peut être estimée approximativement par la fonction f (T) = β · (T - T<Ref>)<2>+ α · (T - T<Ref>) + f (T<Ref>), où T<Ref>est la température de référence (typiquement 25 °C) et α et β sont les coefficients de température du premier et du deuxième ordre, respectivement. Pour le quartz et pour une valeur T<Ref>autour de 25 °C, il existe des angles de coupe proches d'une coupe en z pour lesquels la valeur α des résonateurs à diapason est presque nulle, par exemple inférieure à 1 ppm/K en valeur absolue. Par conséquent, la fonction f(T) est dominée par le terme du deuxième ordre, ce qui donne une caractéristique fréquence-température parabolique.

[0016] De préférence, le résonateur à diapason forme un corps dans lequel la première barre de résonateur et la deuxième barre de résonateur sont solidaires de la tige.

[0017] De préférence, le résonateur à diapason comprend en outre une tranche intermédiaire s'étendant entre la tige et les première et deuxième barres de résonateur, la tranche étant coplanaire avec la première barre de résonateur et la deuxième barre de résonateur et ayant de préférence la même épaisseur que la première barre de résonateur et la deuxième barre de résonateur. La tranche peut s'étendre depuis la première ou la deuxième base de la tige ou depuis une position intermédiaire entre la première base et la deuxième base de la tige.

[0018] De préférence, l'épaisseur des première et deuxième barres de résonateur est comprise entre 0,05 µm et 25 µm, de préférence inférieure à 10 µm.

[0019] De préférence, la hauteur de la tige est comprise entre 10 µm et 200 µm, de préférence entre 20 µm et 150 µm, de manière davantage préférée entre 80 µm et 125 µm.

[0020] De préférence, chacune de la première et de la deuxième barre de résonateur 15a, 15b a une première extrémité fixée à la tige 11 ou à la tranche 27, et une extrémité libre (extrémité non fixée), la première et la deuxième barre de résonateur comprenant en outre :

–

une partie principale s'étendant de leur extrémité libre (extrémité non fixée) à une région située à proximité de leur extrémité fixée et ;

–

une partie évasée qui s'élargit à partir de leur partie principale vers leur extrémité fixée.

[0021] Dans certains modes de réalisation, la partie principale a une largeur constante.

[0022] Dans certains modes de réalisation, les extrémités libres des parties principales de la première et de la deuxième barre de résonateur comprennent une masse supplémentaire ou une partie élargie fournissant une masse supplémentaire.

[0023] De préférence, la largeur de la tige est comprise entre 50 µm et 200 µm, de préférence entre 80 µm et 125 µm.

[0024] De préférence, la largeur des parties principales de chacune des première et deuxième barres de résonateur est comprise entre 10 % et 45 % de la largeur de la tige.

[0025] De préférence, le résonateur à diapason a une longueur inférieure à 500 µm, de préférence inférieure à 400 µm.

[0026] De préférence, la tige a une épaisseur mesurée dans la direction des barres de résonateur, et chacune des première et deuxième barres de résonateur a une longueur qui est supérieure à au moins la moitié de l'épaisseur de la tige.

[0027] De préférence, la tige comprend une partie conique qui s'étend depuis un côté latéral de la tige et/ou depuis l'une de la première base ou de la deuxième base jusqu'à une jonction ou une surface intermédiaire entre la tige et les première et deuxième barres de résonateur ou jusqu'à une jonction ou une surface intermédiaire entre la tige et une tranche reliant les barres de résonateur.

[0028] De préférence, le facteur de qualité du résonateur à diapason à 32 768 Hz dans le vide est supérieur ou égal à 5 000, de préférence supérieur ou égal à 7 500, de manière davantage préférée supérieur ou égal à 10 000, de manière encore davantage préférée supérieur ou égal à 15 000.

Brève description des dessins

[0029] Les buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels

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la figure 1 montre une vue de dessus d'un résonateur à diapason selon un premier mode de réalisation de la présente invention;

–

la figure 2 montre une vue latérale d'un résonateur à diapason selon un mode de réalisation de la présente invention;

–

la figure 3 montre une vue schématique d'un mode de réalisation d'un résonateur à diapason comprenant deux ensembles de bandes piézoélectriques et deux plages d'accueil

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la figure 4a montre une vue de dessus d'un résonateur à diapason selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention;

–

la figure 4b montre une vue de dessus d'un résonateur à diapason selon un troisième mode de réalisation de la présente invention;

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la figure 5a montre une vue de dessus d'un résonateur à diapason selon un quatrième mode de réalisation de la présente invention, et;

–

la figure 5b montre une vue latérale du résonateur à diapason selon le quatrième mode de réalisation de la présente invention.

[0030] Il convient de noter que, sauf indication contraire, les dessins ne sont pas à l'échelle et que des variations peuvent être apportées aux conceptions présentées sur les figures dans l'esprit de la présente invention.

Description détaillée de l'invention

[0031] La présente invention sera décrite plus en détail ci-dessous à l'aide des figures 1 et 2 qui montrent respectivement une vue de dessus et une vue latérale d'un mode de réalisation d'un résonateur à diapason selon l'invention.

[0032] Le résonateur à diapason 10 selon l'invention comprend :

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une tige 11 ayant une première hauteur 12 s'étendant d'une première base 13 à une deuxième base 14, et;

–

une première barre de résonateur 15a et une deuxième barre de résonateur 15b espacées l'une de l'autre, couplées à la tige 11 et s'étendant dans un plan sensiblement perpendiculaire à la hauteur 12 de la tige 11;

caractérisé en ce que la première barre de résonateur 15a et la deuxième barre de résonateur 15b ont une épaisseur 17a, 17b comprise entre 0,05 % et 20 %, de préférence entre 0,1 % et 10 %, de manière davantage préférée entre 0,1 % et 5 %, de manière encore davantage préférée entre 0,5 % et 5 % de la première hauteur 12 de la tige 11. Dans le présent contexte, le terme „couplé(e)“ se réfère à:

–

un premier élément directement relié (joint ou fixé physiquement) à un deuxième élément ou à;

–

un premier élément qui est indirectement relié (joint ou fixé physiquement) à un deuxième élément par l'intermédiaire d'au moins un autre élément.

[0033] De préférence, une tranche intermédiaire 27 s'étend entre la tige 11 et la première barre de résonateur 15a et la deuxième barre de résonateur 15b. La tranche intermédiaire 27 a de préférence la même épaisseur que les première et deuxième barres de résonateur 15a, 15b, et est coplanaire avec les première et deuxième barres de résonateur 15a, 15b. La tranche intermédiaire 27 peut également être coplanaire avec l'une de la première base 13 ou de la deuxième base 14 de la tige 11. Comme le montre la figure 2, la tranche intermédiaire 27 est coplanaire avec la deuxième base 14. Dans un autre mode de réalisation, comme le montre la figure 5b, la tranche intermédiaire 27 peut être positionnée dans une position intermédiaire entre les première et deuxième bases 13, 14 de la tige 11. Dans tous les cas, la tranche intermédiaire 27 est sensiblement perpendiculaire à la hauteur 12 de la tige 11. La tranche intermédiaire 27 est avantageuse en ce qui concerne le changement de température T0 et le découplage des barres de résonateurs 15a, 15b de la tige 11. La première barre de résonateur 15a et une deuxième barre de résonateur 15b ont une première extrémité fixée à la tranche intermédiaire 27, également appelée „extrémité fixée“, et une deuxième extrémité qui est une extrémité libre, également appelée „extrémité non fixée“.

[0034] L'expression „sensiblement perpendiculaire“ se réfère à un axe, un plan ou une surface perpendiculaire à un autre axe, plan ou surface, avec une tolérance de 5° ou moins, de préférence de 1° ou moins. L'expression „sensiblement perpendiculaire à la hauteur de la tige“ dans le contexte de la présente invention se réfère à une position perpendiculaire des première et deuxième barres de résonateur par rapport à la hauteur de la tige avec une tolérance de 5° ou moins, de préférence de 1° ou moins, en l'absence de tout champ électrique créé à travers les barres de résonateur ou de toute impulsion mécanique provoquant la vibration des première et deuxième barres de résonateur.

[0035] La première base 13 et la deuxième base 14 sont opposées l'une à l'autre et sont de préférence sensiblement planes et de préférence sensiblement parallèles l'une à l'autre. Le terme „sensiblement plan(e)s“ englobe des surfaces qui sont généralement planes ou plates, bien qu'elles comportent éventuellement des irrégularités ou des interruptions mineures telles qu'un trou, mais sans affecter l'aspect plan ou plat général. Le terme „sensiblement parallèles“ se réfère à deux surfaces ou axes sensiblement plans parallèles l'un à l'autre, formant ainsi un angle de 0° l'un par rapport à l'autre avec une tolérance inférieure à 5°, de préférence inférieure à 1°.

[0036] Le terme „barre(s) de résonateur“ dans la présente divulgation peut se référer à un bras, une dent, un élément en porte-à-faux, ayant de préférence une longueur au moins 5 fois supérieure à sa largeur et/ou à son épaisseur et qui est adapté pour vibrer.

[0037] D'après une vue de dessus telle qu'illustrée sur la figure 1, les première et deuxième barres de résonateur 15a, 15b ont une partie principale MP, par exemple d'une largeur constante. La forme des parties principales MP n'est pas limitée à une forme rectangulaire et d'autres formes adaptées peuvent être conçues, comme par exemple des formes rectangulaires avec des extrémités libres arrondies ou chanfreinées ou des formes modérées avec une largeur variable dans le sens de la longueur, comme illustré par exemple sur la figure 4a.

[0038] Dans certains modes de réalisation, les extrémités libres des parties principales des première et deuxième barres de résonateur 15a, 15b comprennent une masse supplémentaire ou une partie élargie fournissant une masse supplémentaire, comme illustré sur la figure 4b. Cette masse supplémentaire peut permettre de réduire la longueur des barres de résonateur.

[0039] Le résonateur à diapason est configuré de manière à permettre aux barres de résonateur d'osciller dans un mode hors plan. Le rapport élevé entre l'épaisseur de barre de résonateur 17a/17b et la hauteur de tige 12 entraîne une forte inertie de la tige 11 par rapport aux barres de résonateur 15a/15b. Par conséquent, la tige reprend le mouvement résiduel plus facilement que si la tige 11 et les barres de résonateur 15a, 15b avaient une épaisseur similaire. Il a été constaté que lorsque les première et deuxième barres de résonateur 15a, 15b sont soumises à un mode d'oscillation hors plan, le mouvement de torsion résiduel des barres de résonateur 15a, 15b hors plan est négligeable en raison de la masse importante de la tige 11, qui est plus épaisse que les barres de résonateur. Le terme „mode d'oscillation hors plan“ dans le contexte de la présente divulgation se réfère à un mode de vibration ou d'oscillation de deux barres de résonateur dans lequel les deux barres de résonateur 15a, 15b au repos sont incluses dans un plan (ou coplanaires), et vibrent hors dudit plan et dans une direction opposée (en antiphase) sous l'action d'un champ électrique appliqué à travers les barres de résonateur ou sous l'action d'une impulsion mécanique sensiblement orthogonale audit plan. Bien qu'il soit possible d'utiliser le mode dans le plan commun d'un résonateur à diapason, un mode hors plan est choisi pour des raisons de facilité de fabrication. La géométrie du résonateur à diapason comme décrit ci-dessus, de préférence en combinaison avec l'un quelconque des modes de réalisation présentés ci-dessous, permet de réduire la taille des résonateurs à diapason tout en maintenant un facteur de qualité Q relativement élevé à basse fréquence.

[0040] La tige et les première et deuxième barres de résonateur sont en quartz, de préférence un quartz à coupe en Z. D'autres matériaux peuvent également être choisis tels que la langasite, le GaPO4 ou le silicium partiellement oxydé, ou tout composé ayant une orientation cristalline pour laquelle au moins le coefficient fréquence-température du premier ordre du résonateur est nul ou quasi nul, par exemple inférieur à 1 ppm/K en valeur absolue. Comme il sera décrit ci-dessous, les barres de résonateur 15a, 15b selon la présente invention sont configurées pour osciller dans un mode hors plan. Le quartz à coupe en Z est bien connu dans l'art et est avantageusement choisi en raison de sa facilité de fabrication. Comme le couplage piézoélectrique pour un mode hors plan dans le quartz est faible, les ensembles piézoélectriques 28a, 29a sont utilisés à des fins d'actionnement. Il en résulte une séparation des propriétés mécaniques et électriques, ce qui est avantageux, car les deux domaines peuvent être optimisés indépendamment.

[0041] Avantageusement, le résonateur à diapason est fait d'une seule pièce dans laquelle la première barre de résonateur 15a et la deuxième barre de résonateur 15b sont solidaires de la tige 11.

[0042] Dans un mode de réalisation représenté sur la figure 2, chacune des première et deuxième barres de résonateur 15a, 15b comprend une surface 16a, 16b coplanaire à la deuxième base 14 de la tige 11.

[0043] Dans un autre mode de réalisation, les première et deuxième barres de résonateur 15a et 15b peuvent être positionnées à une position intermédiaire entre la deuxième base 14 de la tige et la première base 13 de la tige, comme le montre la figure 5b.

[0044] Avantageusement, l'épaisseur 17a, 17b des première et deuxième barres de résonateur est comprise entre 0,05 µm et 25 µm, de préférence inférieure à 10 µm, de manière davantage préférée inférieure à 5 µm. Plus avantageusement, les première et deuxième barres de résonateur 15a, 15b ont la même épaisseur.

[0045] De préférence, la hauteur 12 de la tige 11 est comprise entre 10 µm et 200 µm, de préférence entre 20 µm et 150 µm, de préférence entre 80 µm et 125 µm.

[0046] De préférence, la première et la deuxième barre de résonateur 15a, 15b comprennent chacune :

–

une partie principale MP s'étendant de leur extrémité libre (extrémité non fixée) à une région située à proximité de leur extrémité fixée et ;

–

une partie évasée FP s'étendant depuis la partie principale MP vers leur extrémité fixée.

[0047] Les longueurs de la partie principale MP et de la partie évasée FP peuvent varier l'une par rapport à l'autre entre zéro et la longueur totale de la barre de résonateur.

[0048] Les première et deuxième barres de résonateur 15a, 15b sont séparées l'une de l'autre par un espace 19 qui peut être constant entre les parties principales MP des barres de résonateur 15a, 15b et qui diminue entre les parties évasées FP des barres de résonateur 15a, 15b. Les parties évasées FP des barres de résonateur 15a, 15b améliorent la résistance aux chocs.

[0049] La largeur 20 de la tige 11 est comprise entre 50 µm et 200 µm, de préférence entre 80 µm et 125 µm et est de préférence plus large que la somme des largeurs des première et deuxième barres de résonateur 15a, 15b à leur jonction avec la tige 11.

[0050] De préférence, les largeurs 18a, 18b des parties principales MP de chacune des première et deuxième barres de résonateur 15a, 15b sont comprises entre 10 % et 45 % de la largeur 20 de la tige 11. Avantageusement, les largeurs 18a, 18b des parties principales MP des première et deuxième barres de résonateur 15a, 15b sont identiques.

[0051] De préférence, le résonateur à diapason a une longueur 21 inférieure à 500 µm, de préférence inférieure à 400 µm.

[0052] La tige 11 a une épaisseur 30 mesurée dans la direction des barres de résonateur 15a, 15b. Chacune des première et deuxième barres de résonateur 15a, 15b a une longueur 23a, 23b qui est supérieure ou égale à au moins la moitié de l'épaisseur 30 de la tige. Avantageusement, les première et deuxième barres de résonateur 15a, 15b ont la même longueur 23a, 23b.

[0053] De préférence, la tige 11 comprend une partie conique 24 s'étendant latéralement depuis un côté 25 de la tige et/ou depuis l'une de la première base 13 ou de la deuxième base 14 de la tige 11 jusqu'à une jonction ou une surface intermédiaire 26 entre la tige 11 et les première et deuxième barres de résonateur 15a, 15b, de préférence une jonction entre la tige 11 et une tranche intermédiaire 27 entre la tige et les barres de résonateur 15a, 15b. Une partie de la longueur 22 comprend l'épaisseur 30 de la tige, la largeur de la partie conique 24 et la largeur de la tranche intermédiaire 27, comme illustré dans un mode de réalisation de la figure 1 ou des figures 5a et 5b. La partie de longueur 22 peut être comprise entre 5 % et 60 %, de préférence entre 20 % et 45 % de la longueur 21 du résonateur à diapason 10. Comme illustré dans un mode de réalisation de la figure 2, une partie conique 24 s'étend depuis un côté 25 de la tige 11 à une position intermédiaire entre la première base 13 et la deuxième base 14, jusqu'à une jonction 26 entre la tranche intermédiaire 27 et la tige 11. Comme le montre un autre mode de réalisation de la figure 5b, une première partie conique 24a s'étend de la deuxième base 14 de la tige 11 à la tranche intermédiaire 27, et une deuxième partie conique 24b s'étend depuis un emplacement situé entre la première base 13 et la deuxième base 14 de la tige, jusqu'à la jonction 26 entre la tige 11 et la tranche intermédiaire 27.

[0054] Selon l'invention, le diapason est configuré de manière à permettre aux barres de résonateur 15a, 15b d'osciller dans un mode hors plan, comme décrit précédemment. Il convient de noter que pour le quartz à coupe en Z couramment utilisé pour les résonateurs à diapason, le couplage piézoélectrique est très faible pour les modes hors plan. Ceci est d'autant plus vrai que le quartz est de petite taille. Par conséquent, une excitation directe avec des électrodes sur le quartz produirait une très faible capacité dynamique, ce qui empêcherait le fonctionnement dans un circuit d'oscillateur en raison du faible facteur de mérite. Afin d'obtenir un couplage suffisant et une faible résistance, de fines bandes d'un matériau piézoélectrique tel que l'AIN (nitrure d'aluminium), le PZT (titanate de zirconate de plomb) ou le KNN (niobate de potassium et de sodium) sont déposées sur les plaques de résonateur et reliées électriquement aux plages d'accueil à des fins d'excitation. L'avantage de cette approche est que le couplage piézoélectrique et les propriétés thermomécaniques, c'est-à-dire l'amortissement thermoélastique et le comportement en fréquence-température, peuvent être optimisés indépendamment l'un de l'autre.

[0055] De préférence, chacune des première et deuxième barres de résonateur 15a, 15b comprend en outre un premier ensemble piézoélectrique 28a et un deuxième ensemble piézoélectrique 28b disposés sur leur surface respective 16a, 16b. Chacun du premier ensemble piézoélectrique 28a, 28b comprend :

–

une première couche d'électrode 41a, 41b déposée sur une surface 16a, 16b de la barre de résonateur 15a, 15b ;

–

une couche piézoélectrique 42a, 42b déposée sur la première électrode 41a, 41b et;

–

une deuxième couche d'électrode 43a, 43b déposée sur la couche piézoélectrique 42a, 42b.

[0056] La tige 11 comprend en outre une première plage d'accueil 29a et une deuxième plage d'accueil 29b agencées de préférence sur la première base 13 de ladite tige 11. Telle que schématisée sur la figure 3, la première plage d'accueil 29a est configurée pour être couplée (ou connectée) électriquement à un premier pôle (non représenté) d'une source d'excitation électrique (ou source électrique), à la première électrode 41a du premier ensemble piézoélectrique 28a et à la deuxième électrode 43b du deuxième ensemble de bandes piézoélectriques 28b. La deuxième plage d'accueil 29b est configurée pour être connectée électriquement à un pôle opposé (non représenté) de la source d'excitation électrique, à la deuxième électrode 43a du premier ensemble piézoélectrique 28a et à la première électrode 41b du deuxième ensemble piézoélectrique 28b. Avantageusement, le premier ensemble piézoélectrique 28a et le deuxième ensemble piézoélectrique 28b sont au moins partiellement situés sur les parties évasées FP des résonateurs de barre 15a, 15b. Les premier et deuxième ensembles piézoélectriques 28a, 28b ont de préférence la forme d'une bande.

[0057] Pendant le fonctionnement, l'excitation électrique produit des champs électriques alternatifs entre la première 41a et la deuxième électrode 43a du premier ensemble piézoélectrique 28a d'une part, et entre la première électrode 41b et la deuxième électrode 43b du deuxième ensemble piézoélectrique 28b d'autre part. Les champs électriques alternatifs provoquent le retrait et la dilatation cycliques des couches piézoélectriques 42a, 42b des premier et deuxième ensembles piézoélectriques 28a, 28b dans la direction longitudinale, avec un déphasage d'une demi-période entre elles.

[0058] Alors que la couche piézoélectrique 42a du premier ensemble de bandes piézoélectriques 28a se dilate longitudinalement, la couche piézoélectrique 42b du deuxième ensemble de bandes piézoélectriques 28b subit un retrait, et les deux barres de résonateur 15a, 15b sont forcées de se courber vers le bas ou vers le haut, loin du plan formé par les surfaces 16a, 16b des résonateurs de barre 15a, 15b lorsqu'ils sont au repos.

[0059] Un procédé possible de fourniture des ensembles piézoélectriques 28a, 28b comprend les étapes de formation d'un premier film métallique sur la surface 16a, 16b des barres de résonateur 15a, 15b. Le film métallique peut être fabriqué à partir de n'importe quel métal ou alliage adéquat, du chrome/or ou du platine par exemple. Le film peut être formé en utilisant un procédé d'évaporation sous vide, ou de pulvérisation, ou tout autre procédé adéquat connu de l'homme du métier. Un film mince piézoélectrique est ensuite mis à croître sur la surface (entière) du film métallique. Les films minces piézoélectriques sont de préférence de l'AIN ou du KNN ou des dérivés de ces matériaux. Cependant, tout autre matériau piézoélectrique approprié peut être utilisé pour les films minces. L'épaisseur des films minces piézoélectriques est de préférence comprise entre 0,05 et 3 µm; de manière davantage préférée, elle est d'environ 0,2 µm. Un deuxième film métallique, éventuellement du platine, du chrome ou toute autre couche adéquate correspondant au réseau cristallin de la couche piézoélectrique respective, est ensuite déposé sur toute la surface de chaque film mince piézoélectrique. De préférence, un troisième film métallique en or (Au) est ensuite formé sur le deuxième film métallique.

[0060] Toute la surface des films métalliques les plus à l'extérieur peut être recouverte d'une résine photosensible, et la résine photosensible est modelée pour former un masque de gravure sur le côté du substrat. La structure formée par le substrat et les différents films formés sur ses surfaces principales est ensuite gravée couche par couche, par gravure humide ou sèche. La résine photosensible restante est ensuite retirée du résonateur (par exemple en les immergeant dans un solvant), ce qui permet d'exposer les films métalliques.

[0061] Une façon possible de mettre en œuvre les connexions entre les couches d'électrodes et les plages d'accueil consiste à déposer des pistes conductrices de film métallique en utilisant un masque de dépôt en phase vapeur ou des techniques photolithographiques. Avantageusement, dans les deux ensembles piézoélectriques, la position de la première couche d'électrode est décalée longitudinalement par rapport à la position de la deuxième couche d'électrode, de manière à empêcher leurs connexions de piste conductrice respectives d'interférer l'une avec l'autre.

[0062] Un exemple non limitatif d'un mode de réalisation d'un résonateur à diapason est constitué d'un quartz à coupe en Z et comprend une tige 11, une première barre de résonateur 15a et une deuxième barre de résonateur 15b solidaires de la tige et s'étendant depuis la tige vers une direction longitudinale perpendiculaire à la hauteur 12 de la tige 11. La tige 11 a une hauteur 12 de 100 µm et une largeur 20 de 100 µm. La première barre de résonateur 15a et la deuxième barre de résonateur 15b ont une épaisseur 17a, 17b de 1 µm, une largeur de partie principale de 20 µm et une longueur de 150 µm. La première barre de résonateur 15a et la deuxième barre de résonateur 15b s'étendent parallèlement et symétriquement l'une par rapport à l'autre dans la même direction longitudinale et leurs parties en porte-à-faux sont séparées l'une de l'autre par un espace 19 de 15 µm entre leurs parties principales MP. La longueur totale du diapason, tige comprise, est de 370 µm. La première barre de résonateur 15a comprend un premier ensemble piézoélectrique 28a et la deuxième barre de résonateur 15b comprend un deuxième ensemble piézoélectrique 28b, tous deux déposés sur leur surface respective 16a, 16b. Chacun des premier et deuxième ensembles piézoélectriques 28a, 28b comprend une première couche d'électrode 41 déposée sur la surface 16a, 16b de la barre de résonateur 15a, 15b, une couche piézoélectrique sur la première couche d'électrode et une deuxième couche d'électrode sur la couche piézoélectrique. La tige 11 comprend en outre une première plage d'accueil 29a et une deuxième plage d'accueil 29b agencées sur la première base 13 de ladite tige 11. La première plage d'accueil 29a est connectée électriquement à une première électrode 41a du premier ensemble piézoélectrique 28a et à une deuxième électrode 43b du deuxième ensemble piézoélectrique 28b. La deuxième plage d'accueil 29b est connectée à la deuxième électrode 43b du premier ensemble piézoélectrique 28a et à la première électrode 41b du deuxième ensemble piézoélectrique 28b. Le résonateur à diapason est configuré pour vibrer dans un mode hors plan.

[0063] Le facteur de qualité du résonateur à diapason en quartz tel que décrit dans l'exemple ci-dessus a été comparé au facteur de qualité de divers résonateurs à diapason en quartz de la technique antérieure, comme le montre le tableau 1 ci-dessous.

Tableau 1:

[0064] Présente invention

370

100

15 000

CM10

860

680

14 000

CM9

1 200

570

15 000

CM8

1 460

610

20 000

CM7

2 360

560

33 000

[0065] Selon la présente invention, il a été possible de réduire les dimensions globales d'un résonateur à diapason en quartz tout en maintenant un facteur de qualité acceptable à 32 768 MHz supérieur à 10 000, de préférence supérieur ou égal à 15 000.

Nomenclature

[0066] 10 résonateur à diapason 11 tige 12 première hauteur de la tige 13 première base de la tige 14 deuxième base de la tige 15a première barre de résonateur 15b deuxième barre de résonateur 16a surface de 15a 16b surface de 15b 17a épaisseur de 15a 17b épaisseur de 15b 18a largeur de 15a 18b largeur de 15b 19 espace entre les parties principales de 15a et 15b 20 largeur de la tige 21 longueur du résonateur à diapason 22 largeur de la tige 23a longueur de 15a 23b longueur de 15b 24 partie conique 24a première partie conique 24b deuxième partie conique 25 côté latéral de la tige 26 jonction 27 tranche intermédiaire 28a premier ensemble de bandes piézoélectriques sur 15a 28b deuxième ensemble de bandes piézoélectriques sur 15b 29a première plage d'accueil 29b deuxième plage d'accueil 30 épaisseur de la tige 41a première couche d'électrode de 28a 42a couche piézoélectrique de 28a 43a deuxième couche d'électrode de 28a 41b première couche d'électrode de 28b 42b couche piézoélectrique de 28b 43b deuxième couche d'électrode de 28b 44a partie élargie ou masse de 16a 44b partie élargie ou masse de 16b

Claims (15)

1. Résonateur à diapason (10) comprenant: – une tige (11) ayant une première hauteur (12) s'étendant d'une première base (13) à une deuxième base (14), et; – une première barre de résonateur (15a) et une deuxième barre de résonateur (15b) espacées l'une de l'autre, couplées à la tige (11) et disposées dans un plan sensiblement perpendiculaire à la hauteur (12) de la tige (11); caractérisé en ce que la première barre de résonateur (15a) et la deuxième barre de résonateur (15b) ont une épaisseur (17a, 17b) comprise entre 0,05 % et 20 % de la première hauteur (12) de la tige (11).

2. Résonateur à diapason selon la revendication 1, configuré de manière à permettre aux barres de résonateur (15a, 15b) d'osciller dans un mode hors plan.

3. Résonateur à diapason selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première barre de résonateur (15a) comprend un premier ensemble piézoélectrique (28a) et la deuxième barre de résonateur (15b) comprend un deuxième ensemble piézoélectrique (28b), tous deux disposés sur leur surface respective (16a, 16b), chacun des premier et deuxième ensembles piézoélectriques (28a, 28b) comprenant : – une première couche d'électrode (41a, 41b) sur une surface (16a, 16b) de la barre de résonateur (15a, 15b); – une couche piézoélectrique (42a, 42b) sur la première électrode (41a, 41b), et; – une deuxième couche d'électrode (43a, 43b) sur la couche piézoélectrique (42a, 42b); dans lequel: – la première couche d'électrode (41a) du premier ensemble piézoélectrique (28a) et la deuxième couche d'électrode (43b) du deuxième ensemble piézoélectrique sont électriquement couplées à une première plage d'accueil (29a) configurée pour être couplée à un premier pôle d'une source électrique, et; – la deuxième couche d'électrode (43a) du premier ensemble piézoélectrique (28a) et la première couche d'électrode (41b) du deuxième ensemble (28b) sont électriquement couplées à une deuxième plage d'accueil (29b) configurée pour être couplée à un pôle opposé de la source électrique.

4. Résonateur à diapason selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la tige (11) et les barres de résonateur (15a, 15b) sont en quartz, de préférence en quartz à coupe en Z ou en langasite, en GaPO4 ou en silicium partiellement oxydé.

5. Résonateur à diapason selon la revendication 1 ou 2 formant un corps dans lequel la première barre de résonateur (15a) et la deuxième barre de résonateur (15b) sont solidaires de la tige (11).

6. Résonateur à diapason selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre une tranche intermédiaire (27) s'étendant entre la tige (11) et les première et deuxième barres de résonateur (15a, 15b), la tranche intermédiaire (27) étant coplanaire avec les première et deuxième barres de résonateur (15a, 15b) et ayant de préférence la même épaisseur que les barres de résonateur.

7. Résonateur à diapason selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'épaisseur (17a, 17b) des première et deuxième barres de résonateur (15a, 15b) est comprise entre 0,05 µm et 25 µm, de préférence inférieure à 10 µm.

8. Résonateur à diapason selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la hauteur (12) de la tige (11) est comprise entre 10 µm et 200 µm, de préférence entre 20 µm et 150 µm, de manière davantage préférée entre 80 µm et 125 µm.

9. Résonateur à diapason selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel chacune des première et deuxième barres de résonateur 15a, 15b a une première extrémité fixée à la tige (11) ou à une tranche (27) entre la tige et les barres de résonateur (15a, 15b), et une extrémité libre (extrémité non fixée), les première et deuxième barres de résonateur comprenant en outre: – une partie principale MP s'étendant de leur extrémité libre (extrémité non fixée) à une région située à proximité de leur extrémité fixée, et; – une partie évasée FP qui s'élargit depuis la partie principale MP vers leur extrémité fixée.

10. Résonateur à diapason selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la largeur (20) de la tige (11) est comprise entre 50 µm et 200 µm, de préférence entre 80 µm et 125 µm.

11. Résonateur à diapason selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la largeur (18a, 18b) des parties principales MP de chacune des première et deuxième barres de résonateur (15a, 15b) est comprise entre 20 % et 45 % de la largeur (20) de la tige (11).

12. Résonateur à diapason selon l'une quelconque des revendications précédentes ayant une longueur (21) inférieure à 500 µm, de préférence inférieure à 400 µm.

13. Résonateur à diapason selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la tige (11) a une épaisseur (30) mesurée dans la direction des barres de résonateur (15a, 15b), et dans lequel chacune des première et deuxième barres de résonateur (15a, 15b) a une longueur (23a, 23b) qui est supérieure ou égale à au moins la moitié de l'épaisseur (30) de la tige (11).

14. Résonateur à diapason selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la tige (11) comprend une partie conique (24) s'étendant depuis un côté latéral (25) de la tige (11) et/ou depuis l'une de la première base (13) ou de la deuxième base (14) jusqu'à une jonction ou une surface intermédiaire (26) entre la tige (11) et les première et deuxième barres de résonateur (15a, 15b) ou jusqu'à une jonction (26) ou une surface entre la tige et une tranche (27) reliée aux barres de résonateur.

15. Résonateur à diapason selon l'une quelconque des revendications précédentes ayant un facteur de qualité à 32 768 Hz dans le vide supérieur ou égal à 5 000, de préférence supérieur ou égal à 7 500, de manière davantage préférée supérieur ou égal à 10 000, de manière encore davantage préférée supérieur ou égal à 15 000.