FR2461404A1 - Resonateur piezo-electrique et son procede de fabrication - Google Patents
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Abstract
LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN RESONATEUR PIEZO-ELECTRIQUE AINSI QU'UN PROCEDE POUR L'OBTENTION DE CE RESONATEUR. LE DISPOSITIF RESONATEUR COMPORTE UN ELEMENT OSCILLANT 3 FORME D'UN QUARTZ 5 ENTOURE D'UN CADRE 2 ET DEUX ELEMENTS DE FERMETURE 1 ET 1 AYANT UNE CREUSURE 6 DELIMITANT DES CADRES 7 ET 7. LES TROIS ELEMENTS 1, 1 ET 3 SONT LIES PAR L'INTERMEDIAIRE DE LEURS CADRES. L'ELEMENT OSCILLANT EST FABRIQUE A PARTIR D'UNE PLAQUE DE QUARTZ PAR PHOTOLITHOGRAPHIE. LES CREUSURES DES ELEMENTS DE FERMETURE SONT REALISES A PARTIR D'UNE PLAQUE DE VERRE PAR PHOTOLITHOGRAPHIE. APPLICATION AUX DIAPASONS A QUARTZ, DESTINES EN PARTICULIER AUX DISPOSITIFS RESONATEURS.
Description
l 2461404 La présente invention a pour objet un résonateur piézo-
électrique ainsi qu'un procédé pour l'obtention de ce résonateur. On connaît des résonateurs diapasons à quartz encapsulés dans une enceinte hermétique dont la paroi supé- rieure ou couvercle est translucide, de manière à pouvoir agir sur le quartz à l'aide d'un rayon laser pour en ajuster la fréquence. Le quartz-diapason est entouré entièrement par un cadre obtenu dans la même matière. Deux autres cadres métalliques par exemple viennent s'adapter de part et d'autre
du cadre du diapason et font office d'entretoises sur les-
quelles seront fixées les plaques de base et le couvercle du dispositif résonateur. Ces deux cadres étant conducteurs, ils servent aussi de connexion électrique entre l'intérieur
et l'extérieur du boîtier, soit entre le diapason et le cir-
cuit externe.
Il est clair que ce système, bien que simple, est réalisé à l'aide d'un nombre relativement élevé de pièces constitutives, ce qui complique le montage et épaissit le dispositif. Or, il est connu que, pour un composant horloger, l'épaisseur est toujours une dimension qu'il faut réduire au strict nécessaire. Enfin, le nombre de pièces augmentant les possibilités de capacités parasites, ceci a une influence
négative sur les qualités électriques intrinsèques du compo-
sant.
Le but de la présente invention est de pallier ces
inconvénients et de proposer un ensemble résonateur particu-
lièrement simple. Ce but est atteint par un dispositif réso-
nateur piézo-électrique encapsulé, caractérisé en ce qu'il est composé d'un élément oscillant formé d'un quartz muni d'électrodes et entouré d'un cadre, et de deux éléments de fermeture disposés de part et d'autre dudit élément oscillant
et comportant chacun une creusure centrale qui délimite un ca-
dre périphérique, l'élément oscillant et les éléments de fer-
meture étant liés entre eux par leurs cadres.
De préférence, les électrodes du quartz sont iso-
lées du cadre qui entoure le dispositif. En outre, le dispo-
sitif comporte des passages conducteurs aménagés dans l'un
au moins desdits éléments de fermeture pour assurer la con-
nexion électrique desdites électrodes avec l'extérieur.
2 2461404
Le dessin annexé montre, à titre d'exemple, une
forme d'exécution du dispositif résonateur selon l'invention.
La figure 1 est une vue en perspective du disposi-
tif; la figure 2 est une coupe de la figure 1 selon A-A' la figure 3 montre en détail le quartz-diapason et son cadre; et la figure 4 est une vue en perspective des divers
éléments du résonateur piézo-électrique.
Sur la figure 3 on a représenté en 3 un élément oscillant formé par un quartz-diapason 5 entouré d'un cadre et portant des métallisations qui déterminent des électrodes 8 et 9. Le cadre 2 reçoit deux couches de liaison 10 et 10', métalliques ou non. On remarque que les couches 8, 9 et 10 ne se touchent pas et que, par conséquent, il n'y a aucune
connexion électrique entre le cadre 2 et le quartz 5.
Comme le montrent les figures 1, 2 et 4, deux élé-
ments de fermeture 1 et 1' viennent se plaquer sur le cadre 2,
encapsulant ainsi le quartz 5. Pour éviter tout contact élec-
trique entre le cadre 2 et le système d'électrodes 8 et 9, les connexions entre l'extérieur et l'intérieur du dispositif ont lieu au travers des éléments de fermeture 1 et 1', par
exemple par le moyen du passage 4. L'avantage de cette cons-
truction est que, lors du fonctionnement du résonateur piézo-
électrique, seules les électrodes 8, 9, et non le cadre 2, sont portées à un potentiel électrique, ce qui réduit les
capacités parasites à un struct minimum.
Les éléments de fermeture 1 et 1' sont isolants et, de préférence, translucides. Ils peuvent être en verre, en silice fondue, en quartz, en saphir, en céramique ou en
tout autre matériel minéral ou organique présentant la par-
ticularité de laisser passer le rayonnement d'un laser.
Le quartz-diapason 5 et son cadre 2 forment un tout monobloc: ils sont fabriqués à partir d'une même lame de quartz par des moyens photolithographiques. Ils peuvent
être exécutés en grand nombre sur une même plaque, puis sépa-
rés avant ou après l'assemblage avec les autres éléments du
dispositif complet.
Les éléments de fermeture 1 et 1' sont aussi obte-
nus par un procédé photolithographique identique à celui qui
3 2461404
a servi à fabriquer les diapasons. Comme représenté à la fi-
gure 4, partant d'une lame ou wafer de quartz, de silice, de verre, de saphir ou d'un autre matériel minéral ou organique, on y pratique un passage 4 ainsi qu'une creusure 6 dégageant un cadre 7. Celui-ci reçoit ensuite une couche de liaison ll et ll'. Il est évident qu'il est avantageux de fabriquer en même temps sur une même lame une série de pièces et de les séparer à un moment opportun dans la suite des opérations de fabrication. La réalisation pièce par pièce peut aussi être
envisagée.
Il est aussi possible d'obtenir par injection des
plaques de verre portant déjà les creusures 6 et les passa-
ges 4. On peut aussi envisager de presser à froid des ébauches
en poudre de verre qui seront frittées ultérieurement. Finale-
ment, on peut aussi obtenir les creusures sur des pièces mas-
sives par un moyen mécanique quelconque tel que l'usinage au
diamant ou par ultrasons.
Pour assurer la fixation du cadre 2 aux cadres 7 et
7' des éléments 1 et 1', les surfaces de contact sont recou-
vertes, comme déjà mentionné, de couches de liaisons 10, 10', et 11, ll'. On peut déposer une couche métallique 10, 10', sur chaque côté du cadre 2 et une autre couche métallique 11, 11, sur des cadres 7 et 7', puis recouvrir les cadres 2 et 7 d'un métal à bas point de fusion tel que l'étain. Le tout est porté ensuite à la température de fusion du métal pour assurer le
scellement des éléments 1, 1' et 3.
Ces couches métalliques peuvent être constituées soit par des métaux nobles tels que l'or et l'argent, soit par des métaux réfractaires tels que le tungstène et le molybdène,
soit enfin par du nickel.
La couche de liaison peut aussi être constituée par une substance non métallique, mais capable d'adhérer sur les cadres 2, 7 et 7', telle que du verre à bas point de fusion ou une résine époxy. Cette couche est alors déposée en 10 ou 10' sur un des côtés du cadre 2 et en l' ou ll respectivement sur un des cadres 7' et 7 respectivement, puis éventuellement
portée à son point de ramollissement pour assurer le scelle-
ment des éléments 1, 1' et 3.
Il existe enfin des couches conductrices formées de
billes métalliques dans une matrice de verre. De telles cou-
ches peuvent être employées pour réaliser l'une ou l'autre des couches de liaison 10, 10' ou 11, il'. Le scellement est alors réalisé avec ou sans apport supplémentaire d'un métal
à bas point de fusion.
Les couches métalliques peuvent être déposées par évaporation sous vide, sérigraphie, brossage ou dépôt sans courant. Les couches non métalliques (verre ou résine époxy)
peuvent être sérigraphiées, brossées ou projetées. Normale-
ment, le verre est sous forme pulvérulente, enrobé ou non
dans une pâte porteuse.
Les couches déposées par sérigraphie, brossage ou projection sont des produits commercialement disponibles tels que les pâtes Dupont (Dupont Electronic Product Division,
Wilmington, Del) ou EMCA (Emca Mamaroneck, Long Island).
Dans certains cas, il est avantageux de déposer sur la couche sérigraphiée une couche galvanique, par exemple
du nickel, à l'aide d'un bain de Watt.
Enfin, on peut déposer soit sur la couche sérigra-
phiée, soit sur la couche déposée sous vide, soit sur les cadres 2, 7, 7' nus, une métallisation sous la forme d'une couche de nickel chimique à l'aide d'un bain du commerce
-(Enplate Ni 415 de Pernix Enthone, 8108 Dâllikon).
Les couches 10, 10', et 11, 11', sont minces et n'augmentent pratiquement pas la hauteur des éléments 1, 1' et 3. L'épaisseur de ces couches a été largement exagérée
sur la figure 2 pour faciliter la compréhension du dessin.
Le montage de l'élément oscillant 3 entre les deux éléments de fermeture 1 et 1' est effectué, de préférence,
par plaquettes entières (wafer) portant un grand nombre d'é-
léments oscillants 3 et d'éléments de fermeture 1, 1'. La séparation de chaque ensemble après assemblage et scellement
est effectuée par sciage ou par cassure après qu'on ait pra-
tiqué préalablement entre les éléments 1, 1' et 3 une fente par un moyen chimique ou mécanique. Il est cependant évident
qu'un montage pièce par pièce peut aussi être envisagé.
Afin de faciliter l'assemblage des divers composants du résonateur et son montage sur un circuit, il y a lieu de respecter certaines règles de symétrie, particulièrement en ce qui concerne les passages électriques 4. Il peut y avoir
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deux passages sur l'un des éléments de fermeture 1 ou i' ou un passage sur chaque élément. Cette dernière disposition
permet d'utiliser des éléments de fermeture i et I' parfai-
tement identiques, ce qui simplifie grandement la fabrica-
tion. Dans le cas o les impératifs du montage sur un circuit nécessitent deux connexions du même côté, il pourra être prévu deux passage dans chaque élément 1 et i', ceux d'un côté pouvant être bouchés après coup à l'aide d'une matière
isolante, verre à bas point de fusion ou résine époxy.
Comme représenté sur la figure 2, les connexions entre les électrodes du quartz 5 et l'extérieur, à travers les passages 4, sont assurées par des éléments conducteurs 12 obtenus par dépôt sous vide, sérigraphie, brossage ou projection. Dans un mode d'exécution préféré, les éléments de fermeture 1 et i' sont en verre. Les creusures 6 et les
passages 4 sont effectués par un procédé photolithographique.
Les couches métalliques 10, 10' et 11, hl', sont.de l'or
déposé sous vide. Le métal à bas point de fusion est de l'é-
tain déposé électrolytiquement. Toutes ces opérations se font, à partir de plaques de quartz ou de verre, sur un grand nombre d'éléments oscillants 3 ou sur un grand nombre d'éléments de fermeture 1 et i', les éléments n'étant pas
séparés. Le scellement des éléments de fermeture est effec-
tué par chauffage sous atmosphère réductrice. La séparation
des résonateurs a lieu après le scellement.
Il va de soi que l'invention décrite et représen-
tée s'applique non seulement aux quartz en forme de diapason,
mais aussi à toute autre forme de quartz.
6 2461404
Claims (12)
1. Dispositif résonateur piézo-électrique encap-
sulé, caractérisé en ce qu'il est composé d'un élément oscil-
lant formé d'un quartz muni d'électrodes et entouré d'un cadre, et de deux éléments de fermeture disposés de part et d'autre dudit élément oscillant et comportant chacun une
creusure centrale qui délimite un cadre périphérique, l'élé-
ment oscillant et les éléments de fermeture étant liés entre
eux par leurs cadres.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes du quartz sont isolées du cadre qui l'entoure, et en ce qu'il comporte, en outre, des passages conducteurs aménagés dans l'un au moins desdits éléments de
fermeture pour assurer la connexion électrique desdites élec-
trodes avec l'extérieur.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé
en ce qu'un des éléments de fermeture est translucide.
4. Dispositif-selon la revendication 3, caractérisé
en ce que ledit élément de fermeture est en verre.
5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux éléments de fermeture sont sensiblement
identiques. -
6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cadres sont liés entre eux par deux couches métalliques respectivement déposées sur lesdits cadres et par
une couche intermédiaire d'un métal à bas point de fusion.
7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cadres sont liés entre eux par une couche de verre.
8. Procédé de fabrication du dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément oscillant entouré de son cadre est fabriqué à partir d'une plaque de
quartz par photolithographie.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé
en ce que les creusures des éléments de fermeture sont réali-
sées par photolithographie.
10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les éléments de fermeture sont obtenus à partir
d'une poudre par pressage et frittage.
11. Procédé selon la revendication 8, caractérisé
7 2461404
en ce que les éléments de fermeture sont obtenus par injection.
12. Procédé selon la revendication 9, caractérisé
en ce que plusieurs éléments oscillants sont fabriqués à par-
tir d'une même plaque de quartz, que plusieurs éléments de fermeture sont fabriqués à partir d'une même plaque et que les dispositifs résonateurs sont séparés après qu'on ait réalisé la liaison des cadres desdits éléments oscillants et
desdits éléments de fermeture.
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