FR2484734A1 - Resonateur piezoelectrique a composants electroniques integres, et oscillateur muni d'un tel resonateur - Google Patents
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Abstract
LA PRESENTE INVENTION SE RAPPORTE AUX RESONATEURS PIEZOELECTRIQUES. AFIN DE REALISER UNE REGULATION EN TEMPERATURE PRECISE, EFFICACE, ET RAPIDE, ELLE PREVOIT, DANS UN CIRCUIT A THERMOSTAT, DE FIXER LES ELEMENTS GENERATEURS 11 ET CAPTEURS DE TEMPERATURE 12 DIRECTEMENT SUR LE RESONATEUR 1 DOTE D'UNE PORTION 8 MECANIQUEMENT INERTE SUR SA PERIPHERIE. LES APPLICATIONS SONT NOTAMMENT DU DOMAINE DES RESONATEURS EN TANTALATE DE LITHIUM.
Description
La présente invention se rapporte au domaine des résonateurs piézoélectriques, constitués d'un bloc d'un matériau apte à manifester le phénomène connu sous le nom de piézoélectricité, bloc muni, sur deux de ses faces en vis-à-vis, d'électrodes permettant de lui appliquer des tensions électriques déterminant la mise en résonance mécanique du bloc.
Une des caractéristiques d'exploitation de tels résonateurs est la variation de leur fréquence propre de résonance lorsque varie leur température, et on a depuis longtemps réalisé la stabilisation de cette fréquence en régulant la température, par un dispositif habituellement désigné sous le nom de thermostat.Dans son principe, un tel dispositif comprend d'une part un- capteur de température, et d'autre part un élément électriquement chauffant, l'un et l'autre étant disposés au voisinage du résonateur, et-enfin un circuit d'exploitation dont les bornes d'entrée et de sortie sont respectivement reliées au capteur et à l'élément chauffant. te circuit d'exploitation a une loi de fonctionnement du type inverse, à savoir que toute variation de température du résonateur entrante une variation de sens inverse de l'énergie calorifique délivrée par l'élément chauffant,.ce qui correspond bien à un mécanisme de régulation.
Cependant, les thermostats connus présentent, à un degré plus ou moins important, l'inconvénient de principe que la température réelle du résonateur n'est connue qu'indirectement, les capteurs de température étant, dans la pratique, fixés sur un support ou dans une-enceinte totalement différents du résonateur ; il en est de même pour les éléments électriquement chauffants assurant au résonateur le maintien de la température désirée.
Il eg résulte une inertie thermique quelquefois considérable dans le fonctionnement du dispositif de régulation, ou thermostat , entraînant des variations de fréquence transitoires notables en cas de: variations rapides de la température ambiante.
Il en résulte, par ailleurs, des fuites thermiques parasites dans la transmission de chaleur entre les constituants principaux du thermostat, conduisant à un écart ou "fourchette" non négligeable entre les limites de température maintenues parle thesmostat, et par conséquent à une précision limitée dans la régulation.
Il en résulte enfin la nécessité d'une puissance élevée pour les éléments chauffants, en vue de réduire, par un apport élevé d'énergie calorifique, la durée des régimes transitoires de réponse du thermostat.
Ces inconvénients des dispositifs connus constituent des limitations néfastes dans la mise en oeuvre de matériaux piézoélectriques couramment utilisés, tels que le quartz, dont la courbe de variation de fréquence de résonance en fonction de la température est représentée par une fonction du 2eme ou 3eme degré selon la coupe présentant des régions à faible pente.
Ces limitations revêtent un caractère encore plus néfaste dans le cas de matériaux piézoélectriques récemment adoptés dans la technique, tels que le tantalate de Lithium.
En effet, ce matériau présente certes un coefficient de couplage électromécanique très élevé, par rapport au quartz, et permet de réaliser des oscillateurs- ayant une grande excursion de fréquence et des filtres à large bande. Il résulte de ce fort couplage que le mode d'oscillation fondamental et les modes partiels (jusqu'à 11) ont sensiblement la meme amplitude pour une même coupe du cristal.
Mais én revanche, sa caractéristique fréquence- température,bien que parabolique pour le mode fondamental, est linéaire et à forte pente (environ 40 ppm/ C) pour les modes partiels.
C'est pourquoi il paraît particulièrement opportun, dans le cas du tantalate de lithium, afin d'obtenir un résonateur stable à court-et à moyen terme, de lui associer un thermostat précis ayant une constante de temps courte, ce que ne permettent pas,comme exposé plus haut, les dispositifs connus. te résonateur piézoélectrique à éléments thermostatiques intégrés constituant la présente invention ne comporte aucun des inconvénients indiqués.
Dans son fondement, l'invention fait appel, pour les surmonter, à une fixation directe sur le réso- nateur piézoélectrique, de certains éléments du thermostat, tels que les capteurs de température et/ou les éléments chauffants.
Afin d'éviter que cette fixation directe n' entàiAne une altération des caractéristiques oscilla- toires du résonateur, l'invention fait de plus appel à une forme géométrique particulière du bloc en matériau piézoélectrique, comportant des portions méeaniquement neutres pour-r'éevoir les éléments ainsi intégrés.
l'intégration directe, sur le résonateur piézoélectrique, d'éléments du thermostat lève ainsi les inconvénients indiqués plus haut, et conduit à une régulation rapide, précise, et à faible consommation d'énergie.
Plus précisément, l'invention se rapport à un résonateur piézoélectrique à composants électroniques intégrés, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un bloc de matériau piézoélectrique en deux portions, dont l'une, en forme de plaque, avec deux faces en vis-à-vis munies d'électrodes pour l'application et l'extraction de tensions électriques,est apte à être le siège d'oscillations mécaniques, et dont l'autre, par sa forme et- son volume est inerte pour ces oscillations et constitue le support des composants électroniques.
l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après, en s'appuyant sur la figure jointe qui représente une vue en perspective, avec coupe partielle, d'un résonateur piézo-électrique à éléments thermostatîques intégrés, selon l'invention.
La figure représente un résonateur piézoélectrique 1 conforme à l'invention,réalisé en matériau piézoélectrique, tel que du quartz.
La forme générale est celle dtun disque de révolution, doté de deux épaisseurs différentes, délimitées sur la figure par deux lignes en tirets 2 : le disque comporte une portion centrale 3,d'une première épaisseur, constituant la partie purement oscillatoire.
Eile est munie, sur chacune de ses deux faces, d'électrodes 4 et 5 permettant,par les conducteurs 6 et 7,de lui appliquer et/ou d'y recueillir les tensions électriques caractéristique du phénomène de piézo-électricité. Elle co-mporte une portion annulaire 8 d'une seconde épaisseur, grande devant la première, en forme générale de bourrelet périphérique, les deux portions centrale et périphérique étant raccordées par une portion de transition en forme d'entonnoir 9.
En fonctionnement, seule la portion centrale du bloc piézoélectrique entre en résonance, le bourre- let périphérique restant mécaniquement inerte ou "neutre", par suite de ses dimensions et son volume,et de l'absence de toute électrode de commande doscilaa tion.
Cette caractéristique permet d'utiliser le bourrelet comme support d'éléments de circuits qu'il est avantageux de fixer à proximité du résonateur.
C'est le cas d'éléments soit capteurs, soit générateurs du domaine calorifique, mis en oeuvre, comme on l'a indiqué plus haut, dans les dispositifs du type-thermos- tat, et représentés sur la figure suivant le transistor 10, la résistance il et la thermistance 12. Un revetement métallique 13 bon conducteur calorifique, assure une répartition homogène de la chaleur en réduisant le risque des chocs thermiques au démarrage.
Cette couche peut associer, à sa fonction thermique, une autre fonction, à savoir celle de raccorder électriquement entre elles certaines des bornes des composants fixés sur le résonateur ; i-l est alors nécessaire de créer des zones séparées dans la couche pour réaliser l'isolement électrique nécessaire entre les connexions.
Le résonateur à thermostat réalisé selon l'invention a manifesté une stabilité de fréquence améliorée, grâce à une régulation de température à réaction rapide, précise et plus économique en énergie.
Il est à noter que la forme du résonateur en disque circulaire de révolution ainsi que la localisation des éléments thermostatiques sur une seule face du disque , n'a été décrite qu'à titre d'exemple.
Toute autre forme d'un résonateur piézoélectrique en deux portions, l'une dimensionnée pour osciller et l'autre pour être neutre mécaniquement doit être entendue comme faisant partie de l'invention.
De même, le résonateur a été décrit comme étant constitué de quarts. Mais tout autre matériau présentant, dans les conditions adaptées à l'application aux résonateurs, le phénomène de la piézoélectricité doit être considéré comme compris dans les modes de réalisation de l'invention ; c'est le cas du Tantalate de lithium par exemple.
Il est, d'autre part, à remarquer que, dans tout ce qui précéde, l'intégration de composants a été décrite dans le cas particulier des capteurs et générateurs thermiques pour thermostats ; mais les possibilités connues de réalisation de circuits et d'amplificateurs par les techniques de la micro-électronique à l'état solide peuvent permettre de fixer les circuits du thermostat eux-memes sur le résonateur, supprimant ainsi tout problème de raccordement entre les différents éléments.
Enfin, on doit observer que les memes techniques d'intégration peuvent autoriser la fixation directe sur le résonateur, en plus de l'ensemble du thermostat, des circuits de l'oscillateur dont le résonateur fait partie. La grande compacité qui en resulte se prête alors particulièrement bien aux applications oW la miniaturisation est une caractéristique importante.
Claims (10)
1. Résonateur piézoélectrique à composants électroniques intégrés, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un bloc (1) de matériau piézoélectrique en deux portions, dont 11 une, en forme de plaque (3), avec deux faces en vis-à-vis munies d'électrodes (4) (5) pour l'application et l'extraètion de tensions électriques, est apte à être le siège d'oscillations mécaniques et-dont l'autre (8), par sa forme et son volume, est inerte pour ces oscillations, et constitue le support des composants électroniques (10) (11) (12).
2. Résonateur piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc de matériau piézoélectrique a la forme d'un volume avec un axe de révolution, la portion qui est le siège d'-oscillations mécaniques étant au centre du volume et la portion inerte étant à sa périphérie.
3. Résonateur piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la portion inerte est en partie recouverte d'une couche d'un métal de conductibilité calorifique élevée.
4. Résonateur piézoélectrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les composants électroniques sont fixés sur ladite couche de métal.
5. Résonateur piézoélectrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits composants électroniques sont des capteurs de température et des éléments chauffants faisant partie d'un dispositif de régulation de la température du résonateur.
6. Résonateur piézoélectrique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits composants électroniques font partie d'un circuit de commande des oscillations du résonateur.
7. Résonateur piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la portion inerte du résonateur constitue le support de certaines des connexions entre lesdits composants électroniques.
8. Résonateur piézoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit matériau piézoélectrique est le quartz.
9. Résonateur piézoélectrique, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit matériau piézoélectrique et le Tantalate de Lithium.
10. Oscillateur électrique, caractérisé en ce qu'il est muni d'un résonateur piézoélectrique selon l'une des revendications précédentes.
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