CH703271A2

CH703271A2 - Thermocompensated resonator e.g. inverted type turning fork resonator, to manufacture quartz electronic watch, has body with coating partially deposited against core, where cutting angle of plate and thickness of coating are provided

Info

Publication number: CH703271A2
Application number: CH9402010A
Authority: CH
Inventors: Thierry Hessler; Silvio Dalla Piazza
Original assignee: Swatch Group Res & Dev Ltd
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2011-12-15
Also published as: CH703271B1

Abstract

The resonator i.e. turning fork type resonator (1), has a deformation body e.g. base (3) and conical arms (5, 7), with a core that is formed from a plate cut in the characterized quartz crystal. The body includes a coating e.g. germanium dioxide, partially deposited against the core, where the cutting angle of the plate and the thickness of the coating are provided according to thermoelastic coefficients of the coating to obtain thermal coefficients at first and second null orders.

Description

Domaine de l’inventionField of the invention

[0001] L’invention se rapporte à un résonateur thermocompensé du type balancier-spiral, diapason ou plus généralement MEMS permettant de fabriquer une base de temps ou de fréquence dont les coefficients thermiques sont sensiblement nuls aux premier et deuxième ordres. The invention relates to a thermocompensated resonator of the sprung balance, tuning fork or more generally MEMS type, making it possible to manufacture a time or frequency base whose thermal coefficients are substantially zero at first and second orders.

Arrière plan de l’inventionBackground of the invention

[0002] Le document EP 1 422 436 divulgue un spiral formé en silicium et recouvert de dioxyde de silicium afin de rendre le coefficient thermique sensiblement nul autour des températures de procédure COSC, c’est-à-dire entre +8 et +38 °C. De même, le document WO 2008 043 727 divulgue un résonateur MEMS qui possède des qualités similaires de faible dérive de son module d’Young dans la même plage de température. [0002] Document EP 1 422 436 discloses a hairspring formed from silicon and coated with silicon dioxide in order to make the thermal coefficient substantially zero around the COSC procedure temperatures, that is to say between +8 and +38 ° vs. Likewise, document WO 2008 043 727 discloses a MEMS resonator which has similar qualities of low drift of its Young's modulus in the same temperature range.

[0003] Cependant la dérive de la fréquence même uniquement au deuxième ordre des divulgations ci-dessus peut nécessiter des corrections complexes selon les applications. Par exemple, pour que des montres électroniques à quartz puissent être certifiées COSC une correction électronique basée sur une mesure de la température doit être effectuée. [0003] However, the drift of the frequency even only in the second order of the above disclosures may require complex corrections depending on the applications. For example, in order for electronic quartz watches to be COSC certified, an electronic correction based on a temperature measurement must be performed.

Résumé de l’inventionSummary of the invention

[0004] Le but de la présente invention est de pallier tout ou partie les inconvénients cités précédemment en proposant un résonateur en quartz compensé thermiquement aux premier et deuxième ordres. [0004] The aim of the present invention is to overcome all or part of the drawbacks mentioned above by providing a quartz resonator which is thermally compensated at first and second orders.

[0005] A cet effet, l’invention se rapporte à un résonateur thermocompensé comportant un corps utilisé en déformation, l’âme du corps étant formé à partir d’une plaque coupée dans un cristal de quartz caractérisé en ce que le corps comporte un revêtement déposé au moins partiellement contre l’âme, l’angle de coupe de la plaque et l’épaisseur du revêtement étant adaptés en fonction des coefficients thermoélastiques dudit revêtement afin d’obtenir des coefficients thermiques aux premier et deuxième ordres sensiblement nuls. To this end, the invention relates to a thermocompensated resonator comprising a body used in deformation, the core of the body being formed from a plate cut from a quartz crystal characterized in that the body comprises a coating deposited at least partially against the core, the cutting angle of the plate and the thickness of the coating being adapted as a function of the thermoelastic coefficients of said coating in order to obtain substantially zero first and second order thermal coefficients.

[0006] Avantageusement selon l’invention, le corps du résonateur utilisé en déformation comporte un seul revêtement pour compenser deux ordres. Ainsi, suivant les grandeurs et les signes de chaque ordre du matériau de revêtement, le calcul de l’angle de coupe dans le monocristal de quartz et de l’épaisseur du revêtement est effectué afin de compenser les deux premiers ordres. [0006] Advantageously according to the invention, the body of the resonator used in deformation comprises a single coating to compensate for two orders. Thus, depending on the magnitudes and signs of each order of the coating material, the calculation of the cutting angle in the quartz single crystal and the thickness of the coating is carried out in order to compensate for the first two orders.

[0007] Conformément à d’autres caractéristiques avantageuses de l’invention: le corps comporte une section sensiblement en forme d’un quadrilatère dont les faces sont identiques deux à deux; le corps comporte une section sensiblement en forme d’un quadrilatère dont les faces sont entièrement revêtues; l’angle de coupe de la plaque est choisi afin que les coefficients thermiques aux premier et deuxième ordres soient négatifs et le revêtement comporte des coefficients thermoélastiques des premiers et deuxièmes ordres positifs; le revêtement comporte du dioxyde de germanium; le corps est un barreau enroulé sur lui-même en formant un spiral et est couplé avec une inertie; le corps comporte au moins deux bras montés symétriquement afin de former un diapason; le diapason est du type inversé et/ou du type rainure et/ou du type conique et/ou du type palmé; le corps est un MEMS.[0007] In accordance with other advantageous features of the invention: the body has a section substantially in the form of a quadrilateral, the faces of which are identical in pairs; the body has a section substantially in the form of a quadrilateral, the faces of which are fully coated; the cutting angle of the plate is chosen so that the first and second order thermal coefficients are negative and the coating has positive first and second order thermoelastic coefficients; the coating contains germanium dioxide; the body is a bar wound on itself forming a hairspring and is coupled with an inertia; the body has at least two arms mounted symmetrically to form a tuning fork; the tuning fork is of the inverted type and / or of the groove type and / or of the conical type and / or of the palmate type; the body is a MEMS.

[0008] Enfin, l’invention se rapporte également à une base de temps ou de fréquence, comme par exemple une pièce d’horlogerie, caractérisée en ce qu’elle comporte au moins un résonateur conforme à l’une des variantes précédentes. [0008] Finally, the invention also relates to a time or frequency base, such as for example a timepiece, characterized in that it comprises at least one resonator in accordance with one of the preceding variants.

Description sommaire des dessinsBrief description of the drawings

[0009] D’autres particularités et avantages ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: les fig. 1 à 4<sep>sont des représentations générales en perspective de plusieurs types de résonateur du type diapason; les fig. 5A, 5B, 6Aet 6B<sep>sont des alternatives de sections des résonateurs des fig. 1 à 4; la fig. 7<sep>est une représentation générale en perspective d’une partie d’un résonateur balancier - spiral; la fig. 8<sep>est une section représentative du ressort-spiral de la fig. 7; la fig. 9<sep>est un graphique représentant les coefficients thermiques du premier et deuxième ordre d’un diapason suivant son angle de coupe dans un monocristal de quartz; la fig. 10<sep>est un graphique représentant la variation des premier et deuxième ordres du coefficient thermique d’un diapason de quartz coupé selon un angle égal à -8,4° par rapport à l’axe Z en fonction de l’épaisseur d’une couche de dioxyde de germanium; les fig. 11 et 12<sep>sont des représentations schématiques d’un angle de coupe par rapport aux axes cristallographiques d’un cristal de quartz.[0009] Other features and advantages will emerge clearly from the description which is given below, by way of indication and in no way limiting, with reference to the accompanying drawings, in which: FIGS. 1 to 4 <sep> are general perspective representations of several types of tuning fork type resonator; figs. 5A, 5B, 6A and 6B <sep> are alternative sections of the resonators of fig. 1 to 4; fig. 7 <sep> is a general perspective representation of part of a balance-spring resonator; fig. 8 <sep> is a representative section of the spiral spring of FIG. 7; fig. 9 <sep> is a graph showing the first and second order thermal coefficients of a tuning fork according to its cutting angle in a quartz single crystal; fig. 10 <sep> is a graph representing the first and second order variation of the thermal coefficient of a quartz tuning fork cut at an angle equal to -8.4 ° with respect to the Z axis as a function of the thickness of a layer of germanium dioxide; figs. 11 and 12 <sep> are schematic representations of a cutting angle from the crystallographic axes of a quartz crystal.

Description détaillée des modes de réalisation préférésDetailed description of the preferred embodiments

[0010] Comme expliqué ci-dessus, l’invention se rapporte à un résonateur en quartz qui peut être du type balancier-spiral, diapason ou plus généralement un résonateur du type MEMS (abréviation provenant des termes anglais «Micro Electro-Mechanical System»). Afin d’apporter une explication plus simple de l’invention, seules les applications à un balancier spiral et à des diapasons sont présentées ci-dessous. Cependant, d’autres applications de résonateur seront réalisables pour un homme du métier sans difficultés excessives à partir de l’enseignement ci-dessous. As explained above, the invention relates to a quartz resonator which may be of the sprung balance, tuning fork or more generally a resonator of the MEMS type (abbreviation from the English terms "Micro Electro-Mechanical System" ). In order to provide a simpler explanation of the invention, only the applications to a spiral balance and tuning forks are presented below. However, other resonator applications will be feasible for a person skilled in the art without undue difficulty from the teaching below.

[0011] Dans le graphique à la fig. 9, on peut voir la caractérisation de la dérive des coefficients thermiques au premier et deuxième ordres pour des résonateurs du type diapason actuels en fonction de l’angle de coupe selon l’axe z d’un cristal de quartz. [0011] In the graph in FIG. 9, we can see the characterization of the drift of the first and second order thermal coefficients for current tuning fork type resonators as a function of the cutting angle along the z axis of a quartz crystal.

[0012] Les fig. 11 et 12 montrent l’interprétation spatiale de l’axe z par rapport à un monocristal de quartz. Un cristal de quartz comporte des axes cristallographiques x, y, z. L’axe x est l’axe électrique et, l’axe y, l’axe mécanique. Selon l’exemple de la fig. 11et 12, la hauteur h du spiral ou du diapason possède donc une orientation par rapport à l’axe cristallographique z suivant l’angle θ de coupe qui a été choisi. [0012] Figs. 11 and 12 show the spatial interpretation of the z axis in relation to a quartz single crystal. A quartz crystal has x, y, z crystallographic axes. The x axis is the electrical axis and the y axis is the mechanical axis. According to the example of fig. 11 and 12, the height h of the hairspring or tuning fork therefore has an orientation with respect to the crystallographic axis z according to the chosen angle θ of cut.

[0013] Bien entendu, l’angle θ de coupe ne saurait se limiter à un angle unique par rapport à un axe, des rotations selon plusieurs angles par rapport à plusieurs axes sont également possibles pour obtenir l’effet technique désiré dans la présente invention. A titre d’exemple, l’angle θ de coupe finale pourrait ainsi être la résultante d’un premier angle Φ par rapport à l’axe x et d’un deuxième angle Θ par rapport à l’axe z. Of course, the cutting angle θ cannot be limited to a single angle with respect to an axis, rotations according to several angles with respect to several axes are also possible to obtain the desired technical effect in the present invention. . For example, the angle θ of final cut could thus be the result of a first angle rapport with respect to the x axis and of a second angle Θ with respect to the z axis.

[0014] A la fig. 9, on s’aperçoit, comme illustré en trait continu, que le coefficient thermique du premier ordre α coupe l’axe nul autour d’un angle de coupe de 0 degré et de 12 degrés. On comprend donc que suivant l’angle de coupe du monocristal de quartz, il est possible d’obtenir «naturellement» un coefficient thermique du premier ordre α sensiblement nul, c’est-à-dire que le résonateur comporte une variation de fréquence au premier ordre quasiment indépendante de la température. [0014] In FIG. 9, we see, as shown in solid lines, that the first order thermal coefficient α intersects the zero axis around a rake angle of 0 degrees and 12 degrees. It is therefore understood that depending on the angle of cut of the quartz single crystal, it is possible to obtain "naturally" a first order thermal coefficient α substantially zero, that is to say that the resonator has a frequency variation at first order almost independent of temperature.

[0015] Ces caractéristiques avantageuses sont utilisées depuis plusieurs dizaines d’années pour former notamment des bases de temps pour des pièces d’horlogerie avec un angle de coupe proche de 0 degré. [0015] These advantageous characteristics have been used for several decades to form, in particular, time bases for timepieces with a rake angle close to 0 degrees.

[0016] A cette même fig. 9, on s’aperçoit, comme illustré en traits interrompus, que le coefficient thermique du deuxième ordre β ne coupe jamais l’axe nul. Dès lors, on comprend, même avec l’angle de coupe actuel proche de 0 degré, que le quartz reste sensible aux variations de température à cause de la variation du coefficient thermique au deuxième ordre β mais dans une moindre mesure qu’avec le coefficient thermique du premier ordre α. At this same FIG. 9, we see, as illustrated in broken lines, that the second order thermal coefficient β never intersects the zero axis. Therefore, we understand, even with the current cutting angle close to 0 degrees, that quartz remains sensitive to temperature variations because of the variation in the second-order thermal coefficient β but to a lesser extent than with the coefficient first-order thermal α.

[0017] Enfin à cette figure, on s’aperçoit que les angles de coupe négatifs dans le monocristal de quartz forment systématiquement un résonateur dont les coefficients thermiques sont négatifs aux premier α et deuxième ordres β. Finally in this figure, we see that the negative cutting angles in the quartz single crystal systematically form a resonator whose thermal coefficients are negative at the first α and second β orders.

[0018] Avantageusement, l’idée de l’invention est d’adapter un angle θ de coupe du quartz avec une couche unique de revêtement afin de compenser les coefficients thermiques de résonateurs à quartz aux premier α et deuxième β ordres pour obtenir un résonateur très peu sensible aux variations de température. Advantageously, the idea of the invention is to adapt a quartz cutting angle θ with a single coating layer in order to compensate for the thermal coefficients of quartz resonators at the first α and second β orders to obtain a resonator very insensitive to temperature variations.

[0019] A titre de définition, la variation relative de la fréquence d’un résonateur suit la relation suivante: [0019] By way of definition, the relative variation in the frequency of a resonator follows the following relationship:

où: or:

[0020] De plus, le coefficient thermoélastique (CTE) représente la variation relative du module d’Young en fonction de la température. Les termes «α» et «β» qui sont utilisés ci-dessous représentent ainsi respectivement les coefficients thermiques du premier et du deuxième ordres c’est-à-dire la variation relative de la fréquence du résonateur en fonction de la température. Les termes «α» et «β» dépendent du coefficient thermoélastique du corps du résonateur et des coefficients de dilatation du corps. De plus, les termes «α» et «β» prennent également en compte les coefficients propres à une éventuelle inertie séparée, telle que, par exemple, le balancier pour un résonateur balancier - spiral. [0020] In addition, the thermoelastic coefficient (CTE) represents the relative variation of the Young's modulus as a function of temperature. The terms "α" and "β" which are used below thus represent respectively the thermal coefficients of the first and second orders, that is to say the relative variation of the frequency of the resonator as a function of temperature. The terms “α” and “β” depend on the thermoelastic coefficient of the body of the resonator and on the coefficients of expansion of the body. In addition, the terms “α” and “β” also take into account the coefficients specific to a possible separate inertia, such as, for example, the balance for a balance-spring resonator.

[0021] Les oscillations de tout résonateur destiné à une base de temps ou de fréquence devant être entretenues, la dépendance thermique comprend également une contribution éventuelle du système d’entretien. Préférentiellement, le corps du résonateur est une âme de quartz recouverte d’un seul revêtement sur au moins une partie ou la totalité de sa surface extérieure et, éventuellement, par-dessus les métallisations habituelles nécessaires si un actionnement piézoélectrique est désiré. Bien évidemment, dans ce dernier cas, quel que soit le revêtement choisi, les plages de connexions doivent rester libres. [0021] As the oscillations of any resonator intended for a time or frequency base must be maintained, the thermal dependence also includes a possible contribution from the maintenance system. Preferably, the body of the resonator is a quartz core covered with a single coating on at least part or all of its outer surface and, optionally, over the usual metallizations necessary if piezoelectric actuation is desired. Obviously, in the latter case, whatever the coating chosen, the connection areas must remain free.

[0022] Dans l’exemple illustré aux fig. 1à 4, on peut voir des variantes de diapasons 1, 21, 31, 41 applicables à l’invention. Ils sont formés d’une base 3, 23, 33, 43 raccordée à deux bras 5, 7, 25, 27, 35, 37, 45, 47, lesquels sont destinés à osciller selon les directions respectives B et C. [0022] In the example illustrated in FIGS. 1 to 4, we can see variants of tuning forks 1, 21, 31, 41 applicable to the invention. They are formed of a base 3, 23, 33, 43 connected to two arms 5, 7, 25, 27, 35, 37, 45, 47, which are intended to oscillate in the respective directions B and C.

[0023] Les variantes des fig. 2à 4 présentent des diapasons 21, 31, 41 du type inversé, c’est-à-dire que la base 23, 33, 43 se prolonge entre les deux bras 25, 27, 35, 37, 45, 47 afin d’optimiser le découplage entre la fixation et la zone active du résonateur 21,31, 41 et d’optimiser la longueur des bras vibrants pour une surface donnée de matière. Les variantes des fig. 2à 4 présentent des diapasons 21, 31, 41 du type rainure (également connu sous le nom anglais «groove»), c’est-à-dire que les deux bras 25, 27, 35, 37, 45, 47 comportent des rainures 24, 26, 34, 36, 44, 46 afin d’y déposer des électrodes pour augmenter le couplage piézoélectrique et permettre ainsi d’obtenir des résonateurs de petites tailles avec d’excellents paramètres électriques. The variants of FIGS. 2 to 4 have tuning forks 21, 31, 41 of the inverted type, that is to say that the base 23, 33, 43 extends between the two arms 25, 27, 35, 37, 45, 47 in order to optimize the decoupling between the binding and the active zone of the resonator 21, 31, 41 and to optimize the length of the vibrating arms for a given surface of material. The variants of fig. 2 to 4 have tuning forks 21, 31, 41 of the groove type (also known under the English name "groove"), that is to say that the two arms 25, 27, 35, 37, 45, 47 have grooves 24, 26, 34, 36, 44, 46 in order to deposit electrodes therein to increase the piezoelectric coupling and thus make it possible to obtain resonators of small sizes with excellent electrical parameters.

[0024] De plus, la fig. 1 présente une variante de bras 5, 7 du type conique, c’est-à-dire dont la section diminue au fur et à mesure qu’on s’éloigne de la base 3 de façon à mieux répartir les contraintes élastiques sur la longueur des bras et ainsi augmenter le couplage des électrodes. Enfin, les fig. 1et 4présentent des diapasons 1, 41 du type palmé, c’est-à-dire que les deux bras 5, 7, 45, 47 comportent à leur extrémité des palmes 2, 8, 42, 48 afin d’augmenter l’inertie d’oscillation des bras 5, 7, 45, 47 du résonateur 1, 41 pour permettre d’obtenir des résonateurs optimisés en longueur pour une fréquence donnée. On comprend donc qu’il existe une multitude de variantes possibles de diapasons qui peuvent, de manière non exhaustive, être du type inversé et/ou du type rainure et/ou du type conique et/ou du type palmé. [0024] In addition, FIG. 1 presents a variant of the arm 5, 7 of the conical type, that is to say the section of which decreases as one moves away from the base 3 so as to better distribute the elastic stresses over the length of the arms and thus increase the coupling of the electrodes. Finally, Figs. 1 and 4 have tuning forks 1, 41 of the webbed type, that is to say that the two arms 5, 7, 45, 47 have at their end fins 2, 8, 42, 48 in order to increase the inertia of oscillation of the arms 5, 7, 45, 47 of the resonator 1, 41 to make it possible to obtain resonators optimized in length for a given frequency. It is therefore understood that there are a multitude of possible variants of tuning forks which may, in a non-exhaustive manner, be of the inverted type and / or of the groove type and / or of the conical type and / or of the palmate type.

[0025] Avantageusement selon l’invention, chaque diapason 1, 21, 31, 41 comporte des coefficients thermiques des premier α et deuxième β ordres qui sont compensés par dépôt d’une couche 52, 54, 56, 52 ́, 54 ́, 56 ́ contre l’âme 58, 58 ́ du diapason 1, 21, 31, 41. Les fig. 5A, 5B, 6A et 6Bproposent quatre exemples non exhaustifs de coupe du corps des diapasons 1, 21, 31, 41 selon le plan A-A permettant de mieux voir leur section en forme de quadrilatère ou de H au moins partiellement recouverte d’une couche 52, 54, 56, 52 ́, 54 ́, 56 ́. Bien évidemment, les revêtements 52, 54, 56, 52 ́, 54 ́, 56 ́ ne sont pas à l’échelle par rapport aux dimensions de l’âme 58, 58 ́, ceci afin de mieux montrer les localisations de chaque partie 52, 54, 56, 52 ́, 54 ́, 56 ́. Advantageously according to the invention, each tuning fork 1, 21, 31, 41 comprises thermal coefficients of the first α and second β orders which are compensated by depositing a layer 52, 54, 56, 52 ́, 54 ́, 56 ́ against the core 58, 58 ́ of tuning fork 1, 21, 31, 41. Figs. 5A, 5B, 6A and 6B provide four non-exhaustive examples of cross-section of the body of tuning forks 1, 21, 31, 41 according to the plane AA allowing to better see their quadrilateral or H-shaped section at least partially covered with a layer 52 , 54, 56, 52 ́, 54 ́, 56 ́. Obviously, the coverings 52, 54, 56, 52 ́, 54 ́, 56 ́ are not to scale with respect to the dimensions of the core 58, 58 ́, in order to better show the locations of each part 52 , 54, 56, 52 ́, 54 ́, 56 ́.

[0026] L’étude a été effectuée dans un premier temps pour un résonateur diapason 1 coupé dans un monocristal de quartz selon des angles négatifs par rapport à l’axe z c’est-à-dire selon des coefficients thermiques aux premier α et deuxième β ordres qui sont négatifs. Des matériaux dont les coefficients thermoélastiques aux premier et deuxième ordres sont positifs ont donc été recherchés. Il a été trouvé que le dioxyde de germanium et des oxydes de zirconium ou d’hafnium stabilisés répondent à ces caractéristiques. The study was carried out initially for a tuning fork resonator 1 cut from a quartz single crystal at negative angles with respect to the z axis, that is to say according to thermal coefficients at the first α and second β orders which are negative. Materials whose first and second order thermoelastic coefficients are positive have therefore been sought. Germanium dioxide and stabilized zirconium or hafnium oxides have been found to meet these characteristics.

[0027] Des analyses ont été effectuées pour trouver un angle θ de coupe dans le quartz avec une couche unique de revêtement afin de compenser les coefficients thermiques de résonateurs à quartz aux premier α et deuxième β ordres. Pour le cas de la fig. 5A, c’est-à-dire un revêtement 52, 54 sur chaque flanc de bras 5, 7 du diapason 1, il a été trouvé une convergence des coefficients thermiques des premier α et deuxième β ordres du résonateur diapason 1 pour un angle θ de -8,408 degrés par rapport à l’axe z et une épaisseur d de 5,47 µm pour chaque couche 2, 4. Analyzes were carried out to find a cutting angle θ in quartz with a single coating layer in order to compensate for the thermal coefficients of quartz resonators at the first α and second β orders. For the case of fig. 5A, that is to say a coating 52, 54 on each side of arm 5, 7 of tuning fork 1, it was found a convergence of the thermal coefficients of the first α and second β orders of the tuning fork 1 resonator for an angle θ of -8.408 degrees from the z axis and a thickness d of 5.47 µm for each layer 2, 4.

[0028] Cette convergence est illustrée à la fig. 10où on voit que bien que les premier α et deuxième β coefficients thermiques du diapason 1 coupent tous les deux l’axe nul pour une même épaisseur d des couches 2, 4. This convergence is illustrated in FIG. 10where we see that although the first α and second β thermal coefficients of tuning fork 1 both intersect the zero axis for the same thickness d of layers 2, 4.

[0029] Pour le cas de la fig. 6A, c’est-à-dire un revêtement 56 en recouvrement total des bras 5, 7 du diapason 1, il a été trouvé une convergence des coefficients thermiques des premier α et deuxième β ordres du résonateur diapason 1 pour un angle θ de -8,416 degrés par rapport à l’axe z et une épaisseur d de 4,26 µm pour la couche 6. On en conclu donc que l’angle θ de coupe est sensiblement équivalent par rapport à la variante de la fig. 5A, par contre l’épaisseur d de revêtement 56 nécessaire est bien plus faible. [0029] For the case of FIG. 6A, that is to say a coating 56 in total overlap of the arms 5, 7 of the tuning fork 1, it was found a convergence of the thermal coefficients of the first α and second β orders of the tuning fork resonator 1 for an angle θ of - 8.416 degrees with respect to the z axis and a thickness d of 4.26 μm for the layer 6. It is therefore concluded that the cutting angle θ is substantially equivalent with respect to the variant of FIG. 5A, on the other hand the thickness d of coating 56 required is much lower.

[0030] Selon une interprétation similaire pour des sections de diapasons du type rainure illustré aux fig. 5Bet 6B, un angle θ et une épaisseur d peuvent également être déterminées. Le cas de la fig. 6Best particulièrement avantageux en ce que le revêtement 56 ́ au niveau des arêtes des rainures permet l’augmentation de la surface sur laquelle la couche de compensation est active. On comprend donc, pour le cas particulier de la fig. 6B, que l’épaisseur d de revêtement 56 ́ sera nécessairement encore moins grande. [0030] According to a similar interpretation for sections of tuning forks of the groove type illustrated in FIGS. 5Bet 6B, an angle θ and a thickness d can also be determined. The case of FIG. 6B is particularly advantageous in that the coating 56 'at the edges of the grooves allows an increase in the area on which the compensation layer is active. It is therefore understood, for the particular case of FIG. 6B, that the coating thickness d 56 ́ will necessarily be even less.

[0031] Il est à noter pour toutes variantes ci-dessus que si les bras 5, 7, 25, 27, 35, 37, 45, 47 sont nécessairement revêtus, la base 3, 23, 33, 43 n’a pas nécessairement à l’être. En effet, ce sont aux niveaux des zones de contraintes que le revêtement 52, 54, 56, 52 ́, 54 ́, 56 ́ doit être présent. It should be noted for all variants above that if the arms 5, 7, 25, 27, 35, 37, 45, 47 are necessarily coated, the base 3, 23, 33, 43 does not necessarily to be. Indeed, it is at the level of the stress zones that the coating 52, 54, 56, 52 ́, 54 ́, 56 ́ must be present.

[0032] Dans l’exemple illustré aux fig. 7et 8, on peut voir un spiral 11 dont le corps 15 est venu de forme avec sa virole 13 et dont les coefficients thermiques des premier α et deuxième β ordres du corps sont compensés. La fig. 8 propose une coupe du corps 15 du spiral 11 permettant de mieux voir sa section en forme de quadrilatère. Le corps 15 peut ainsi être défini par sa longueur l, sa hauteur h et son épaisseur e. La fig. 8 montre un exemple où l’âme 18 est entièrement revêtue de manière similaire à la fig. 6A. Bien évidemment, la fig. 8présente uniquement un exemple non limitatif et, comme pour les diapasons 1, 21, 31, 41, le spiral 11 peut comporter un revêtement sur au moins une partie ou la totalité de la surface extérieure du corps 15. [0032] In the example illustrated in FIGS. 7 and 8, we can see a hairspring 11 whose body 15 is formed with its ferrule 13 and whose thermal coefficients of the first α and second β orders of the body are compensated. Fig. 8 proposes a section of the body 15 of the spiral 11 making it possible to better see its quadrilateral-shaped section. The body 15 can thus be defined by its length l, its height h and its thickness e. Fig. 8 shows an example where the core 18 is fully coated in a manner similar to FIG. 6A. Obviously, fig. 8 shows only a non-limiting example and, as for the tuning forks 1, 21, 31, 41, the hairspring 11 may include a coating on at least part or all of the outer surface of the body 15.

[0033] L’étude a donc été effectuée dans un deuxième temps pour un résonateur du type balancier - spiral dont le spiral 11 est coupé dans un monocristal de quartz selon des coefficients thermiques aux premier α et deuxième β ordres qui sont négatifs et avec des matériaux en recouvrement dont les coefficients thermoélastiques aux premier et deuxième ordres sont positifs. The study was therefore carried out in a second step for a resonator of the balance-hairspring type, the hairspring 11 of which is cut in a quartz monocrystal according to thermal coefficients at the first α and second β orders which are negative and with covering materials with positive first and second order thermoelastic coefficients.

[0034] Des analyses ont été effectuées pour trouver un angle θ de coupe dans le quartz avec une couche unique de revêtement afin de compenser les coefficients thermiques de résonateurs à quartz aux premier α et deuxième β ordres. Analyzes were carried out to find a cutting angle θ in quartz with a single coating layer in order to compensate for the thermal coefficients of quartz resonators at the first α and second β orders.

[0035] Pour le cas de la fig. 8, c’est-à-dire un revêtement 16 en recouvrement total du corps 15 du spiral 11, il a été trouvé une convergence des coefficients thermiques des premier β et deuxième β ordres du résonateur pour plusieurs valeurs de dilatation du balancier: αbal<sep>θ<sep>d 5<sep>-15,9<sep>8,5 10<sep>-12,3<sep>7,2 15<sep>-8,0<sep>6,1 20<sep>-2,4<sep>5,5où: αball est le coefficient de dilatation du balancier, exprimé en ppm.°C<-><1>; θ est l’angle de coupe dans le quartz, exprimé en degrés; d est l’épaisseur du revêtement de GeO2, exprimé en µm.[0035] For the case of FIG. 8, that is to say a coating 16 in total coverage of the body 15 of the balance spring 11, it was found a convergence of the thermal coefficients of the first β and second β orders of the resonator for several expansion values of the balance: αbal < sep> θ <sep> d 5 <sep> -15.9 <sep> 8.5 10 <sep> -12.3 <sep> 7.2 15 <sep> -8.0 <sep> 6.1 20 <sep> -2.4 <sep> 5.5 where: αball is the coefficient of expansion of the balance, expressed in ppm. ° C <-> <1>; θ is the cutting angle in quartz, expressed in degrees; d is the coating thickness of GeO2, expressed in µm.

[0036] Par conséquent, au vu des explications ci-dessus, l’enseignement de l’invention ne saurait se limiter à un matériau de revêtement particulier, ni même à un résonateur particulier ou même à une zone de dépôt particulière du revêtement. L’exemple de la coupe par rapport à l’axe z du cristal de quartz n’est pas non plus limitatif. D’autres références dans le cristal de quartz comme les axes x et y sont également possibles tout comme plusieurs rotations sont possibles comme expliqué ci-dessus. [0036] Therefore, in view of the above explanations, the teaching of the invention cannot be limited to a particular coating material, or even to a particular resonator or even to a particular deposition area of the coating. The example of the section with respect to the z axis of the quartz crystal is not limiting either. Other references in the quartz crystal like x and y axes are also possible just as multiple rotations are possible as explained above.

[0037] On comprend donc qu’il est possible de manière avantageuse selon l’invention de compenser les coefficients thermiques des premier α et deuxième β ordres de n’importe quel résonateur à quartz avec une couche unique. [0037] It is therefore understood that it is possible according to the invention advantageously to compensate for the thermal coefficients of the first α and second β orders of any quartz resonator with a single layer.

Claims

1. A thermocompensated resonator comprising a body used in deformation, the core (58, 58, 18) of the body (3, 5, 7, 15, 23, 25, 27, 33, 35, 37, 43, 45, 47 ) being formed from a plate cut in a quartz crystal characterized in that the body (3, 5, 7, 15, 23, 25, 27, 33, 35, 37, 43, 45, 47) comprises a coating (52, 54, 56, 52, 54, 56, 16) deposited at least partially against the web (58, 58, 18), the cutting angle (θ) of the plate and the thickness (d) of the coating (52, 54, 56, 52, 54, 56, 16) being adapted as a function of the thermoelastic coefficients of said coating in order to obtain first and second order thermal coefficients (α, β) substantially zero.

2. Resonator according to claim 1, characterized in that the body (3, 5, 7, 15) comprises a section substantially in the form of a quadrilateral whose faces are identical in pairs.

3. Resonator according to claim 1, characterized in that the body (3, 5, 7, 15) comprises a section substantially in the form of a quadrilateral whose faces are fully coated.

4. Resonator according to one of the preceding claims, characterized in that the cutting angle (θ) of the plate is chosen so that the first and second order thermal coefficients (α, β) are negative.

5. Resonator according to the preceding claim, characterized in that the coating (52, 54, 56, 16, 52, 54, 56) comprises thermoelastic coefficients of the first and second positive orders.

6. Resonator according to the preceding claim, characterized in that the coating (52, 54, 56, 52, 54, 56, 16) comprises germanium dioxide.

7. Resonator according to one of the preceding claims, characterized in that the body (15) is a bar wound on itself forming a spiral (11) and is coupled with an inertia.

8. Resonator according to one of claims 1 to 6, characterized in that the body comprises at least two arms (5, 7, 25, 27, 35, 37, 45, 47) mounted symmetrically to form a tuning fork (1 , 21, 31, 41).

9. Resonator according to the preceding claim, characterized in that the tuning fork (1, 21, 31, 41) is of the inverted type and / or of the groove type and / or of the conical type and / or the web type.

10. Resonator according to one of claims 1 to 6, characterized in that the body is a MEMS.

11. Timepiece characterized in that it comprises at least one resonator according to one of the preceding claims.