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Garde-temps La présente invention a pour objet un garde- temps formé d'un circuit oscillateur piloté par un résonateur mécanique.
Il existe déjà plusieurs types de montres de ce genre, utilisées soit comme montres-bracelets soit comme pendulettes.
Ainsi on conndt des montres-bracelets dont le balancier spiral est entretenu comme résonateur par un aimant et une bobine. Un circuit électronique comprenant un transistor fournit des impulsions de courant à la bobine, le champ magnétique qui en résulte appliquant des impulsions mécaniques au balancier pour entretenir son oscillation. Un autre système qui est déjà sur le marché comprend un diapason fonctionnant comme résonateur, et qui est entretenu par un circuit électronique également avec transistor et bobine.
Un autre type de montre qui n'a pas encore été introduit sur le marché comme montre-bracelet, mais comme chronomètre, utilise un résonateur piézo-électrique entretenu directement par un circuit électronique, ce type de montre est désigné par montre à quartz.
On peut distinguer deux types de circuits transistors d'entretien. Le premier qui est de nature très simple ne prévoit aucune séparation entre la boucle à courant continu et la boucle à courant alternatif, dans le circuit d'entrée du transistor. Le courant d'émetteur est entièrement fourni par une bobine captrice. Des circuits de ce type sont décrits dans les brevets suivants: Brevet français No 1183037 ; Brevet américain No 3156857 ; Brevet anglais No 956768.
Ces circuits peuvent être utilisés dans des montres fines (par exemple pendulettes) mais non dans les montres-bracelets, ceci pour les raisons suivantes 1. Il est pratiquement impossible de faire démarrer le garde-temps sans actionner mécaniquement le .résonateur afin d'induire une tension dans la bobine alimentant l'émetteur.
2. Le point de travail du transistor dépend fortement de la tension induite qui doit être très grande. Il en résulte que pour assurer une bonne sécurité de marche même en présence de chocs, il faut .prévoir une consommation d'énergie qui est trop grande pour une montre-bracelet., 3. Pour assurer une tension induite suffisante, i1 faut que la bobine compte un grand nombre de spires. Il est presque impossible de prévoir une telle bobine dans une montre-bracelet en raison du manque de place.
4. Si l'on veut néanmoins prévoir une telle bobine, il faut utiliser un fil très mince, ce qui renchérit la bobine.
Pour ces raisons, ces circuits simples ne sont utilisés que dans des pendulettes ne subissant que peu de chocs, que l'on peut démarrer avec un dispositif mécanique et qui disposent d'une batterie ordinaire, type lampe de poche, dont la réserve d'énergie est relativement élevée.
L'autre type de circuit prévoit une séparation de la boucle de courant continu et de la boucle de courant alternatif dans le circuit base-émetteur du trans- istor. Cela permet de fixer le point de travail du transistor par le courant continu. Il suffit de superposer un très petit signal alternatif pour que le transistor puisse déjà amplifier de sorte que le démarrage est automatique.
C'est pour cette raison que dans les montres-bracelets électroniques avec résonateur mécanique, on n'utilise que ce type de circuit, ceci bien qu'il soit plus compliqué et com-
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prenne notamment un condensateur pour séparer la composante continue du courant de la composante alternative, et une résistance fixant la valeur de la composante continue.
Le but de l'invention est l'obtention d'un circuit de ce dernier type, utilisant un transistor spécial de sorte que l'on puisse simplifier le circuit par suppression de ladite résistance et d'une petite capacité présente dans les circuits connus des deux types. Cette capacité est destinée à supprimer l'oscillation propre des circuits de manière que ne s'établisse que l'oscillation imprimée par le résonateur mécanique.
Le garde-temps selon l'invention est caractérisé en ce que le circuit oscillateur comporte un transistor planaire en silicium dont la base présente un prolongement dont l'extrémité est court-circuitée au collecteur, transistor qui présente par ailleurs une région du même type de conduction que d'émetteur et recouvrant la majeure partie de la base, ce circuit oscillateur comportant en outre, au moins, une self- inductance, une capacité et une pile.
Le dessin représente schématiquement et à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution du garde-temps selon l'invention.
La fig. 1 est une vue en perspective et à très grande échelle d'une réalisation du transistor utilisé dans cette forme d'exécution, la fig. 2 est une vue en coupe selon la ligne 2-2 de la fig. 1, la fig. 3 est une vue schématique de l'oscillateur du garde-temps.
Le transistor représenté aux fig. 1 et 2 comprend un bloc 1 en silicium supposé du type N. Une jonction PN, base-collecteur est formée en dopant la région 2, par exemple avec du bore. Ce dopage peut s'effectuer par diffusion, le contrôle de la géométrie se faisant selon les techniques bien connues utilisant des laques photorésistantes. La forme de cette jonction diffère de celle des transistors ordinaires en ce que d'une part elle est beaucoup plus grande que celle nécessaire au contact 3 de la base et au contact de l'émetteur et en ce que d'autre part elle présente un bras 5 se terminant par une région métallisée 6.
Dans cet exemple, ce bras 5 se compose de trois segments rectilignes à angle droit. Dans d'autres cas, il pourrait avoir une forme serpentine.
La jonction PN émetteur-base, dont le contour a été représenté en traits interrompus à la fi-' 1, peut être obtenue en dopant la région 7, par exemple avec du phosphore, selon les mêmes techniques que pour la formation de la jonction 2.
Le transistor comprend une jonction, non usuelle qui a été obtenue en dopant la région 8 en même temps et de la même façon que la région d'émetteur 7. A la fig. 1, le contour de cette région 8 a été représenté en traits interrompus.
La face inférieure 9 du bloc 1 constitue le contact du collecteur.
Dans cet exemple, on n'a pas décrit la disposition des couches d'oxyde car elle est bien connue dans la fabrication des transistors selon la technique planaire.
Le fonctionnement du transistor est le suivant La plus grande capacité entre collecteur et base résulte premièrement de la plus grande surface de la région 2 et secondement de la région 8 qui recouvre la plus grande partie de la région 2 et augmente la surface de la jonction base-collecteur. La région 8 est particulièrement importante à cet effet car la concentration des impuretés à la jonction formée entre les régions 2 et 8 est considérablement plus élevée que celle à la jonction formée entre les régions 1 et 2, ce qui augmente fortement la capacité par unité de surface. A titre d'exemple, la capacité totale entre base et collecteur se situe entre 50 et 600 pf à 0 volt.
Dans les transistors usuels destinés à fonctionner en amplificateur à moyenne et haute fréquence, la capacité base-collecteur est évidemment nuisible et on l'évite en réduisant au maximum la surface de la jonction base-collecteur, ne permettant que la surface nécessaire pour l'émetteur 7 et le contact de base 3.
Le rapport entre la surface de la jonction collec- teur-base et la surface de la jonction base-émetteur est prévu supérieur à 10, de préférence compris entre 100 et 10000.
Le courant collecteur-base contrôlé est obtenu par le prolongement 5 de la base 2 et le contact 6 entre base et collecteur. Les valeurs élevées, comprises entre 0,1 et 5 MQ entre base et collecteur sont obtenues premièrement par le prolongement 5 de la base 2 et deuxièmement en réduisant la section du prolongement 5 de la base par la région diffusée 8 comme représenté à la fig. 2. Par la pose de 8, la partie active du prolongement 5 est dans des structures diffusées, limitée à une région de haute résistivité.
Les courants de fuite ordinaire à travers la jonction base-callecteur sont maintenues faibles à cause de la présence de la région 8. Il est bien connu dans de métier que .les diffusions qui sont exécutées avec une source de verre liquide à la surface contenant du bore ou du phosphore agissant en plus comme un getter et éliminent les courants de fuite excessifs. Pour le cas où 8 est formé par un tel procédé de diffusion, la surface additionnelle de la jonction base-collecteur n'augmente que très peu le courant de fuite usuel à travers la jonction.
De plus, comme la région 8 couvre la plus grande partie de @la base 2 et qu'elle pénètre dans le silicium, il en résulte que la jonction base-collecteur n'atteint pas la surface. Ceci élimine les courants de fuite de surface qui sont souvent beaucoup plus grands que ceux de volume.
Le courant ICEO apparent entre base et collecteur est pour cette raison donné par la résistance du prolongement 5 de la base 2 et la tension entre collecteur et base.
Le gain élevé à très faible niveau de puissance est assurée en choississant la grandeur de l'émetteur
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aussi petite que le permet la technique actuelle, c'est-à-dire d'un diamètre de 4 à 50 [tm.
Les caractéristiques particulièrement de ce transistor ne nécessitent aucune opération supplémentaire de fabrication. Pour cette raison, les frais de fabrication sont comparables à ceux d'un transistor planaire ordinaire.
Malgré les modifications de la géométrie, comparativement à un transistor usuel, le gain élevé aux faibles niveaux de puissance est maintenu. Le volume total est à peine plus grand que celui d'un transistor usuel.
La fng.3 représente un circuit oscillateur piloté par un résonateur mécanique non représenté, et utilisant le transistor décrit.
Ce schéma qui parait être celui d'un oscillateur LC ne peut actuellement pas osciller sur sa fréquence relativement élevée donnée par la solf-induction L et sa capacité propre à cause de la capacité élevée du collecteur du transistor spécial qui court-circuite le collecteur à cette fréquence. L'emploi de ce circuit par contre sert à l'entretien d'un résonateur mécanique de basse fréquence couplé à la bobine par des aimants montés sur ledit résonateur.
Ces aimants oscillants impriment par induction une tension alternative sur la bobine de façon que le transistor spécial est activé comme interrupteur à cette basse fréquence fournissant de l'énergie pour l'entretien de l'oscillation du résonateur mécanique. La capacité du collecteur ne gêne pas le bon fonctionnement à cette basse fréquence. Le courant passant par le bras de la base allongée au collecteur sert surtout pour le démarrage.
Outre le transistor 10, le circuit ne comprend qu'une solf-inductance 11 présentant une prise médiane reliée à l'émetteur du transistor, les deux bornes d'extrémité étant réunies l'une à da base par un condensateur 12 et l'autre au pôle négatif d'une pile 13 dont le pôle positif est relié au collecteur du transistor. Un transistor ordinaire ne fonctionnerait pas dans un circuit aussi simple.
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The present invention relates to a timepiece formed by an oscillator circuit driven by a mechanical resonator.
There are already several types of watches of this kind, used either as wristwatches or as clocks.
Thus, wristwatches are known in which the sprung balance is maintained as a resonator by a magnet and a coil. An electronic circuit comprising a transistor supplies current pulses to the coil, the resulting magnetic field applying mechanical pulses to the balance to maintain its oscillation. Another system which is already on the market comprises a tuning fork functioning as a resonator, and which is maintained by an electronic circuit also with transistor and coil.
Another type of watch that has not yet been introduced to the market as a wristwatch, but as a stopwatch, uses a piezoelectric resonator maintained directly by an electronic circuit, this type of watch is referred to as a quartz watch.
We can distinguish two types of sustaining transistor circuits. The first, which is very simple in nature, does not provide for any separation between the direct current loop and the alternating current loop, in the input circuit of the transistor. The transmitter current is supplied entirely by a sensor coil. Circuits of this type are described in the following patents: French Patent No 1183037; US Patent No. 3156857; English patent No 956768.
These circuits can be used in fine watches (for example clocks) but not in wristwatches, for the following reasons 1. It is practically impossible to start the timepiece without mechanically actuating the resonator in order to induce a voltage in the coil supplying the transmitter.
2. The working point of the transistor strongly depends on the induced voltage which must be very large. It follows that in order to ensure good operating safety even in the presence of shocks, it is necessary to provide for a consumption of energy which is too great for a wristwatch., 3. To ensure sufficient induced voltage, it is necessary that the coil has a large number of turns. It is almost impossible to provide such a coil in a wristwatch due to the lack of space.
4. If one wants nevertheless to provide such a spool, it is necessary to use a very thin wire, which makes the spool more expensive.
For these reasons, these simple circuits are only used in clocks which undergo only a few shocks, which can be started with a mechanical device and which have an ordinary battery, flashlight type, whose reserve of energy is relatively high.
The other type of circuit provides for a separation of the direct current loop and the alternating current loop in the base-emitter circuit of the transistor. This makes it possible to fix the working point of the transistor by direct current. It suffices to superimpose a very small AC signal so that the transistor can already amplify so that the start is automatic.
It is for this reason that in electronic wristwatches with a mechanical resonator, only this type of circuit is used, although it is more complicated and complex.
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in particular take a capacitor to separate the DC component of the current from the AC component, and a resistor fixing the value of the DC component.
The aim of the invention is to obtain a circuit of the latter type, using a special transistor so that the circuit can be simplified by eliminating said resistance and a small capacitance present in the circuits known to two types. This capacitor is intended to suppress the own oscillation of the circuits so that only the oscillation imparted by the mechanical resonator is established.
The timepiece according to the invention is characterized in that the oscillator circuit comprises a planar silicon transistor, the base of which has an extension, the end of which is short-circuited to the collector, which transistor also has a region of the same type of conduction as emitter and covering most of the base, this oscillator circuit further comprising, at least, a self-inductance, a capacitor and a battery.
The drawing shows schematically and by way of non-limiting example, an embodiment of the timepiece according to the invention.
Fig. 1 is a perspective view on a very large scale of an embodiment of the transistor used in this embodiment, FIG. 2 is a sectional view along line 2-2 of FIG. 1, FIG. 3 is a schematic view of the oscillator of the timepiece.
The transistor shown in FIGS. 1 and 2 comprises a block 1 of supposedly N-type silicon. A PN, base-collector junction is formed by doping region 2, for example with boron. This doping can be carried out by diffusion, the control of the geometry being carried out according to well known techniques using photoresist lacquers. The shape of this junction differs from that of ordinary transistors in that on the one hand it is much larger than that necessary for contact 3 of the base and contact with the emitter and in that on the other hand it has a arm 5 ending in a metallized region 6.
In this example, this arm 5 is composed of three straight segments at right angles. In other cases, it could have a serpentine shape.
The emitter-base PN junction, the outline of which has been shown in dashed lines at fi- '1, can be obtained by doping region 7, for example with phosphorus, according to the same techniques as for the formation of junction 2 .
The transistor comprises an unusual junction which has been obtained by doping region 8 at the same time and in the same way as emitter region 7. In FIG. 1, the outline of this region 8 has been shown in broken lines.
The lower face 9 of block 1 constitutes the contact of the collector.
In this example, the arrangement of the oxide layers has not been described because it is well known in the manufacture of transistors according to the planar technique.
The operation of the transistor is as follows The greater capacitance between collector and base results firstly from the greater surface area of region 2 and secondly from region 8 which covers most of region 2 and increases the surface area of the base junction -collector. Region 8 is particularly important for this purpose because the concentration of impurities at the junction formed between regions 2 and 8 is considerably higher than that at the junction formed between regions 1 and 2, which greatly increases the capacity per unit of area. By way of example, the total capacitance between base and collector is between 50 and 600 pf at 0 volts.
In conventional transistors intended to operate as a medium and high frequency amplifier, the base-collector capacitance is obviously harmful and is avoided by reducing the area of the base-collector junction as much as possible, allowing only the area necessary for the transmitter 7 and base contact 3.
The ratio of the area of the collector-base junction to the area of the base-emitter junction is expected to be greater than 10, preferably between 100 and 10,000.
The controlled collector-base current is obtained by the extension 5 of the base 2 and the contact 6 between the base and the collector. The high values, between 0.1 and 5 MΩ between base and collector are obtained firstly by the extension 5 of the base 2 and secondly by reducing the section of the extension 5 of the base by the diffused region 8 as shown in fig. 2. By the installation of 8, the active part of the extension 5 is in diffused structures, limited to a region of high resistivity.
Ordinary leakage currents through the base-callector junction are kept low due to the presence of region 8. It is well known in the art that diffusions which are performed with a source of liquid glass at the surface containing liquid. boron or phosphorus additionally acts as a getter and eliminates excessive leakage currents. For the case where 8 is formed by such a diffusion process, the additional surface area of the base-collector junction only increases the usual leakage current through the junction very little.
In addition, since region 8 covers most of base 2 and penetrates silicon, the result is that the base-collector junction does not reach the surface. This eliminates surface leakage currents which are often much larger than those in volume.
The apparent ICEO current between base and collector is for this reason given by the resistance of extension 5 of base 2 and the voltage between collector and base.
High gain at very low power level is ensured by choosing the size of the transmitter
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as small as current technology allows, i.e. with a diameter of 4 to 50 µm.
The particular characteristics of this transistor do not require any additional manufacturing operation. For this reason, the manufacturing costs are comparable to those of an ordinary planar transistor.
Despite the changes in geometry, compared to a conventional transistor, the high gain at low power levels is maintained. The total volume is barely greater than that of a conventional transistor.
Fng.3 represents an oscillator circuit driven by a mechanical resonator, not shown, and using the transistor described.
This diagram which appears to be that of an LC oscillator cannot currently oscillate on its relatively high frequency given by the solf-induction L and its own capacity because of the high capacity of the collector of the special transistor which short-circuits the collector to this frequency. The use of this circuit on the other hand serves for the maintenance of a low frequency mechanical resonator coupled to the coil by magnets mounted on said resonator.
These oscillating magnets inductively print an alternating voltage on the coil so that the special transistor is activated as a switch at this low frequency providing energy for the maintenance of the oscillation of the mechanical resonator. The capacity of the collector does not interfere with proper operation at this low frequency. The current passing through the arm from the elongated base to the collector is mainly used for starting.
Besides the transistor 10, the circuit only comprises a solf-inductor 11 having a middle tap connected to the emitter of the transistor, the two end terminals being joined one at the base by a capacitor 12 and the other to the negative pole of a battery 13, the positive pole of which is connected to the collector of the transistor. An ordinary transistor would not work in such a simple circuit.