FR2734964A1 - Resonateur piezoelectrique a ondes de volume. - Google Patents

Abstract

Le résonateur piézoélectrique à ondes de volume comprend un cristal (10) en forme de plaquette présentant un axe de symétrie perpendiculaire à un plan moyen de la plaquette qui est munie d'une partie périphérique formant bague (110) reliée à une partie centrale par une zone intermédiaire de liaison (120), et des électrodes non adhérentes au cristal (10) disposées en regard respectivement de chacune des faces principales de la partie centrale du cristal (10), sans contact avec ces faces, ces électrodes étant portées par des plateaux en matériau diélectrique dont la partie périphérique est en contact avec la partie périphérique (110) du cristal (10) pour positionner les électrodes par rapport aux faces principales du cristal (10), Au moins l'une des faces principales du cristal (10) comprend un ensemble de zones de piégeage d'énergie qui sont constituées par des surépaisseurs localisées (131 à 135) s'étendant chacune radialement dans la partie centrale sur une longueur réduite et qui présentent une symétrie par rapport à l'axe de symétrie.

Description

La présente invention a pour objet un résonateur piézoélectrique à ondes de volume comprenant un cristal en forme de plaquette présentant un axe de symétrie A perpendiculaire à un plan moyen de la plaquette qui est munie d'une partie périphérique formant bague reliée à une partie centrale par une zone intermédiaire de liaison, des premier et second moyens de création d'un champ électrique alternatif excitateur comprenant des première et seconde électrodes non adhérentes au cristal disposées en regard respectivement de chacune des première et seconde faces de la partie centrale du cristal, sans contact avec ces faces, ces première et seconde électrodes étant portées par des premier et second plateaux en matériau diélectrique dont la partie périphérique est en contact avec la partie périphérique du cristal pour positionner les première et seconde électrodes par rapport aux première et seconde faces du cristal.

Des résonateurs de ce type ont été décrits par exemple dans le document FR-A-2 338 607.

Dans de tels résonateurs, on met en général en oeuvre une technique de piégeage d'énergie, dite technique de Warner, qui consiste à utiliser une partie active de cristal vibrant en cisaillement d'épaisseur et se présentant sous la forme d'une lentille plan-convexe ou bi-convexe. Dans-ce cas,
L'énergie vibratoire est concentrée dans la partie la plus centrale du résonateur, et il est possible d'obtenir un coefficient de surtension assez élevé (par exemple 3 millions pour un cristal de quartz vibrant à 5 MHz en coupe AT ou en coupe SC). Le principe même de ce piégeage d'énergie à partie active présentant entre les électrodes une portion de cristal délimitée par au moins une surface convexe uniforme présentant un rayon de courbure unique implique cependant une limitation dudit coefficient de surtension.En effet, I'épaisseur du cristal, qui détermine directement la fréquence, n'est pas la même dans la partie centrale du cristal, d'épaisseur maximale, que dans les parties du cristal éloignées du centre et situées au voisinage des bords des électrodes. Ainsi, dans le principe même du piégeage d'énergie d'Arthur
Warner sont contenues d'une part une augmentation du coefficient de surtension par rapport à celui obtenu avec un résonateur sans piégeage (c'est-à-dire avec un cristal à faces parallèles), mais d'autre part aussi une limitation correspondant au fait que la fréquence n'est pas la même dans la partie la plus centrale que dans les parties périphériques vibrantes.Ainsi, le piégeage classique d'énergie à l'aide d'un cristal de type plan-convexe ou bi-convexe présentant une surface convexe uniforme avec un rayon de courbure unique concentre l'énergie vibratoire au centre du résonateur, mais cause aussi un élargissement de la bande passante autour de la résonance considérée et ne permet pas de maximiser le coefficient de surtension.

La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités et de permettre de réaliser un résonateur piézoélectrique à ondes de volume vibrant en cisaillement d'épaisseur, dont le coefficient de surtension soit amélioré, dont la résistance dynamique soit diminuée, et qui présente une bande passante réduite de façon à constituer un résonateur monomode à une seule fréquence de résonance.

Ces buts sont atteints grâce à un résonateur piézoélectrique à ondes de volume comprenant un cristal en forme de plaquette présentant un axe de symétrie A perpendiculaire à un plan moyen de la plaquette qui est munie d'une partie périphérique formant bague reliée à une partie centrale par une zone intermédiaire de liaison, des premier et second moyens de création d'un champ électrique alternatif excitateur comprenant des première et seconde électrodes non adhérentes au cristal disposées en regard respectivement de chacune des première et seconde faces de la partie centrale du cristal, sans contact avec ces faces, ces première et seconde électrodes étant portées par des premier et second plateaux en matériau diélectrique dont la partie périphérique est en contact avec la partie périphérique du cristal pour positionner les première et seconde électrodes par rapport aux première et seconde faces du cristal, caractérisé en ce qu'au moins l'une des première et seconde faces du cristal comprend un ensemble de zones de piégeage d'énergie qui sont constituées par des surépaisseurs localisées s'étendant chacune radialement dans ladite partie centrale sur une longueur réduite et qui présentent une symétrie par rapport à l'axe de symétrie A.

Ainsi, au lieu d'un piégeage d'énergie réalisé par un cristal dont au moins une face a été rendue convexe et qui présente un rayon de courbure sur toute l'étendue de la zone active située entre une paire d'électrodes unique, il est effectué, conformément à l'invention, un piégeage d'énergie par une pluralité de zones de surépaisseur localisées réparties dans la partie centrale active du cristal, les différences d'épaisseur entre les différentes parties de piégeage d'énergie de la partie centrale active du cristal étant extrêmement réduites et autorisant ainsi une faible dispersion en fréquence, ce qui contribue à définir une bande passante réduite, un spectre plus pur et, par cumul des effets des diverses zones de surépaisseur localisée, à fournir un coefficient de surtension élevé.L'invention permet ainsi de réaliser des oscillateurs de meilleure stabilité à court terme et à très hautes performances utilisables notamment dans le domaine des télécommunications, du radar, de l'avionique et des applications spatiales.

De façon préférentielle et afin de limiter les phénomènes de diffraction, chaque surépaisseur localisée présente dans le sens radial une largeur comprise entre 2 et 30 fois la longueur d'onde de la vibration piézoélectrique du résonateur.

A titre d'exemple, chaque surépaisseur localisée présente dans le sens radial une largeur inférieure ou égale à 4 mm.

Avantageusement, les surépaisseurs localisées présentent une dimension en hauteur comprise entre 0,5 et 10 micromètres par rapport à la surface principale de base de la face de la partie centrale du cristal sur laquelle sont formées les surépaisseurs localisées.

De façon plus particulière, les surépaisseurs localisées réalisées sur la surface principale de base d'une même face de la partie centrale du cristal présentent des variations de dimension en hauteur inférieures à 2 micromètres.

Les zones de surépaisseur localisées peuvent présenter différents types de profil.

Ainsi, en coupe selon un plan axial, les surépaisseurs localisées peuvent présenter un profil rectangulaire, un profil rectangulaire avec des bords arrondis, ou encore un profil convexe à grand rayon de courbure.

Selon un mode particulier de réalisation possible, certaines au moins des surépaisseurs localisées présentent en vue en plan la forme d'un disque et sont disposées de façon à présenter une symétrie par rapport à l'axe de symétrie A du cristal.

Selon un autre mode particulier de réalisation possible, qui peut être le cas échéant combiné avec le mode de réalisation précédent, certaines au moins des surépaisseurs localisées présentent en vue en plan une forme annulaire de révolution autour de l'axe de symétrie A du cristal.

Dans ce cas, les surépaisseurs localisées annulaires peuvent être séparées entre elles par des portions annulaires planes de la surface principale de base de la face de la partie centrale du cristal (10) sur laquelle sont formées les surépaisseurs localisées.

Toutefois, selon un autre mode de réalisation avantageux, les surépaisseurs localisées annulaires sont séparées entre elles par des portions annulaires anguleuses, les diverses surépaisseurs localisées annulaires définissant en coupe selon un plan axial un profil en dents de scie.

Le résonateur selon l'invention peut comprendre une électrode commune en forme de disque située en regard de l'ensemble des surépaisseurs localisées réalisées sur la surface principale de base d'une même face de la partie centrale du cristal.

A titre de variante, dans un résonateur selon l'invention, chacune des première et seconde électrodes est divisée en un ensemble d'électrodes individuelles situées en regard des différentes zones de piégeage d'énergie constituées par les surépaisseurs localisées.

Dans ce cas, selon un mode de réalisation particulier, les différentes électrodes individuelles situées en regard d'une même face de la partie centrale du cristal sont connectées en parallèle.

Afin de pouvoir compenser des différences d'épaisseur résiduelles entre diverses zones de surépaisseur localisées, et compte tenu de la très faible valeur de ces différences d'épaisseur résiduelles, selon une caractéristique particulière, au moins un condensateur d'ajustement est monté en série entre un point commun de connexion des électrodes individuelles situées en regard d'une même face de la partie centrale du cristal et l'une de ces électrodes individuelles.

Un résonateur selon l'invention peut encore comprendre, sur au moins l'une des première et seconde faces du cristal, au moins deux zones de piégeage d'énergie constituées par des surépaisseurs localisées et coopérant chacune avec une paire d'électrodes individuelles pour constituer des premier et second éléments de résonateur, et au moins une électrode individuelle coopérant avec l'une des première et seconde faces du cristal est connectée en série avec une électrode individuelle coopérant avec l'autre des première et seconde faces du cristal.

Ce type de montage permet de réaliser sur une même plaquette un ensemble d'au moins deux résonateurs distincts présentant un couplage prédéterminé et coopérant entre eux pour former un ensemble dont les caractéristiques, et notamment le coefficient de qualité, peuvent être supérieures à celles des éléments de résonateur considérés individuellement.

Dans un tel mode de réalisation, au moins une gorge peut être formée dans le cristal pour réduire son épaisseur dans une zone intermédiaire entre lesdites au moins deux zones de piégeage d'énergie de manière à provoquer une atténuation du couplage entre lesdits premier et second élements de résonateur.

La qualité d'un résonateur selon l'invention est particulièrement élevée lorsque les surfaces principales de base des première et seconde faces de la partie centrale du cristal sont planes et parallèles et définissent une épaisseur moyenne constante avec des variations d'épaisseur inférieures à 5 x 104 X où k représente la longueur d'onde de la vibration piézoélectrique.

Dans une variante possible, les surfaces principales de base des première et seconde faces de la partie centrale du cristal sont légèrement convexes tout en présentant un rayon de courbure supérieur ou égal à 1000 mm.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée de modes particuliers de réalisation données à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels:
- la Figure 1 est une vue de dessus du cristal d'un résonateur piézoélectrique selon un premier mode de réalisation de l'invention, avec des zones de piégeage d'énergie en forme de disques;
- la Figure 2 est une vue en coupe axiale selon le plan II-II de la
Figure 1;
- la Figure 3 est une vue de dessus du cristal d'un résonateur piézoélectrique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, avec une première zone centrale de piégeage d'énergie en forme de disque et une deuxième zone annulaire de piégeage d'énergie;;
- la Figure 4 est une vue en coupe axiale selon le plan IV-IV de la
Figure 3, montrant en outre les plateaux de support des électrodes du résonateur;
- les Figures SA, 5B, 5C et 5D montrent diverses formes possibles de profil pour des surépaisseurs localisées de piégeage d'énergie d'un résonateur selon l'invention;
- la Figure 6 est une vue en coupe axiale d'un cristal de résonateur présentant un profil de surépaisseur localisée selon la Figure 5D, et un exemple d'outillage permettant l'obtention d'un tel profil;
- la Figure 7 est une vue de dessus d'un cristal de résonateur présentant un profil tel que celui de la Figure SD;
- la Figure 8 est une vue en coupe axiale selon le plan VIII-VIII de la Figure 7 montrant en outre les plateaux de support des électrodes du résonateur;;
- la Figure 9 est une vue de dessus d'un cristal de résonateur piézoélectrique selon un mode de réalisation dans lequel les zones de piégeage d'énergie sont toutes annulaires et coopèrent chacune avec une paire d'électrodes individuelles;
- la Figure 10 est une vue en coupe axiale selon le plan X-X de la
Figure 9, montrant en outre les plateaux de support des paires d'électrodes individuelles du résonateur;
- la Figure 1 1 est une vue montrant une variante de réalisation du résonateur de la Figure 10, mettant en oeuvre des condensateurs d'ajustement;;
- la Figure 12 est une vue de dessus d'un cristal de résonateur piézoélectrique selon un mode particulier de réalisation définissant un ensemble de deux résonateurs individuels formés sur une même plaquette, et
- la Figure 13 est une vue en coupe axiale selon le plan XIII-XIII de la Figure 12, montrant en outre les plateaux de support des paires d'électrodes individuelles des deux résonateurs individuels formés sur la même plaquette.

L'invention s'applique à des résonateurs à ondes de volume vibrant en cisaillement d'épaisseur et comprenant un cristal piézoélectrique 10 interposé entre deux électrodes d'excitation 4, 5 placées en regard des faces principales du cristal 10 sans contact avec celles-ci, en ménageant des espaces libres de très faible épaisseur, par exemple de l'ordre de quelques micromètres ou quelques dixièmes de micromètre.

Sur les Figures 1 et 2, on a représenté un premier exemple de cristal piézoélectrique 10, par exemple un cristal de quartz, présentant une configuration conforme à la présente invention.

Sur les Figures 3 et 4, on a représenté un second exemple de cristal piézoélectrique 10 présentant une configuration conforme à la présente invention. Sur la Figure 4, on voit en outre les électrodes 4, 5 formées sur des plateaux 20, 30 et coopérant avec le cristal piézoélectrique 10. Le cristal 10 des Figures 1 et 2 peut coopérer avec des électrodes 4, 5 formées sur des plateaux 20, 30 d'une façon identique au cristal 10 des Figures 3 et 4.

Aussi, on décrira d'abord la structure d'ensemble d'un résonateur selon ces premiers modes de réalisation de l'invention en se référant à la
Figure 4 avant de décrire plus en détail la configuration du cristal 10 selon les deux modes de réalisation des Figures 1 et 2 d'une part, et 3 et 4 d'autre part.

Comme représenté sur la Figure 4, le cristal 10 en forme de plaquette présente un axe de symétrie A perpendiculaire à un plan moyen de la plaquette. Le cristal 10 comprend une partie périphérique 110 en forme de bague reliée à une partie centrale 130 par une zone intermédiaire de liaison 120. La partie périphérique 110 du cristal est en contact avec des parties périphériques 210, 310 de plateaux 20, 30 en matériau diélectrique, réalisés par exemple en silice, qui portent, sur leurs faces internes tournées vers les faces principales 11, 12 du cristal 10, des électrodes 4, 5.La géométrie des plateaux 20, 30 et du cristal 10 est telle que les première et seconde électrodes 4, 5, qui constituent des moyens de création d'un champ électrique alternatif excitateur, sont disposées en regard de la partie centrale active 130 du cristal 10, sans contact avec celle-ci, en ménageant de faibles espaces libres.

Le cristal 10 peut comprendre dans sa partie intermédiaire 120 des parties évidées 121 à 124 ménageant entre elles des ponts 125 à 128 de liaison entre la partie centrale active 130 et la partie périphérique 110 de support du cristal entre les parties périphériques 210, 310 des plateaux 20, 30. Les parties évidées 121 à 124 contribuent à découpler la partie active centrale 130 de la partie périphérique 110 en contact avec les plateaux 20, 30.

On décrira maintenant la partie active centrale 130 du cristal 10 selon les modes de réalisation des Figures 1, 2 et 3, 4.

La partie active centrale 130 d'un cristal piézoélectrique selon l'invention est réalisée à partir d'une plaquette à faces les plus parallèles et les plus planes possibles.

On peut par exemple partir d'un disque de quartz de coupe habituelle, telle qu'une coupe AT ou une coupe SC, le disque étant tel que son épaisseur moyenne soit constante à mieux que 5.10-4 A sur la partie active du cristal, X étant la longueur d'onde acoustique (ou longueur d'onde de la vibration piézoélectrique) du résonateur. On peut noter que, pour l'exemple considéré (résonateur à quartz partiel 3 d'épaisseur 551 Clam) la longueur d'onde acoustique A à 10 MHz est approximativement de 367 ,um (et reste naturellement inversement proportionnelle à la fréquence si l'on choisit des épaisseurs correspondant à des fréquences de fonctionnement
différentes).De façon plus particulière, la planéité peut être par exemple de
l'ordre de 30 Â à 250 Â et l'épaisseur constante à quelques dixièmes de
microns près. Il est par ailleurs souhaitable d'obtenir une très faible
perturbation du réseau cristallin sur les faces du disque en utilisant des
procédés d'usinage adaptés afin de minimiser les pertes lors de la réflexion de l'onde élastique.

A titre de variante, les surfaces principales de base des faces principales 11, 12 de la partie centrale 130 du cristal 10 peuvent être légèrement convexes, mais doivent dans ce cas présenter un rayon de courbure supérieur ou égal à 1000 mm. La plaquette de départ est ainsi très légèrement biconvexe ou, le cas échéant, très légèrement convexe sur une seule des faces principales 11, 12.

Conformément à l'invention, au moins l'une des faces principales
11, 12 du cristal 10, par exemple la face 1 1 de la Figure 2, comprend un ensemble de zones de piégeage d'énergie qui sont constituées par des surépaisseurs localisées 131 à 135 qui s'étendent chacune radialement dans la partie centrale active 130 sur une longueur réduite et qui présentent une symétrie par rapport à l'axe de symétrie A.

Dans le cas des Figures 1 et 2, les zones de surépaisseur 131 à 135 présentent en vue en plan (Figure 1) la forme d'un disque. Les zones de surépaisseur 132 et 133 sont symétriques entre elles par rapport à l'axe A de symétrie du cristal. De même, les zones de surépaisseur 134 et 135 sont symétriques entre elles par rapport à l'axe A. La zone de surépaisseur centrale 131 est elle-même centrée sur l'axe A. Ainsi, l'ensemble des zones de surépaisseur 131 à 135 sont disposées de façon à présenter une symétrie par rapport à l'axe A.

Dans le cas du mode de réalisation des Figures 3 et 4, des zones de surépaisseur 131, 136; 131',136' sont réalisées sur les deux faces principales 11, 12 du cristal 10, de façon symétrique par rapport à un plan médian du cristal perpendiculaire à l'axe A. Dans le mode de réalisation des Figures 3 et 4, il est réalisé une surépaisseur localisée 131, 131' en forme de disque centrée sur l'axe A, qui est identique à la surépaisseur 131 des Figures 1 et 2.

Toutefois, une autre surépaisseur localisée 136, 136' est réalisée sur chacune des faces 11 et 12 de telle manière qu'elle présente en vue en plan (Figure 3) une forme annulaire de révolution autour de l'axe de symétrie A du cristal 10. Chacune des zones annulaires de surépaisseur 136, 136' est séparée de la zone de surépaisseur centrale 131, 131' par une portion annulaire plane 141, 141' de la surface principale de base de la face principale correspondante 11, 12.

Dans le mode de réalisation des Figures 3 et 4, une électrode unique 4, respectivement 5, en forme de disque est située en regard de l'ensemble des zones de surépaisseur 131, 136, respectivement 131', 136' réalisées sur la surface principale de base d'une même face principale 11, respectivement 12, du cristal 10.

De façon similaire, des électrodes 4, 5 (non représentées sur la
Figure 2) en forme de disque sont situées en regard de la partie active 130 du cristal 10 en s'étendant chacune sur une zone qui recouvre l'ensemble des zones de surépaisseur 131 à 135. Sur la Figure 1, on a représenté en pointillés l'électrode 5 située en regard de la face principale 12 du cristal 10.

L'électrode 4, non visible sur les Figures 1 et 2, est identique à l'électrode 5 et située en regard de la face principale 12.

Les Figures SA à SD montrent, en coupe selon un plan axial, différentes formes possibles pour les zones de surépaisseur formées dans la partie active 130 du cristal.

La Figure SA montre un profil rectangulaire 130A d'une zone de surépaisseur s'étendant dans le sens radial sur une longueur réduire aa'.

La Figure SB montre un profil essentiellement rectangulaire 130B d'une zone de surépaisseur s'étendant dans le sens radial sur une longueur réduite bb'. Toutefois, le profil 130B présente des bords arrondis.

La Figure 5C montre un profil convexe 130C à grand rayon de courbure s'étendant dans le sens radial sur une longueur réduite cc'. Dans le cas du profil 130C de la Figure SC, le rayon de courbure de la surépaisseur à profil convexe doit être suffisamment important. Par exemple, pour un résonateur à cristal de quartz de coupe SC vibrant à 10 MHz sur le mode partiel 3, le rayon de courbure d'une surépaisseur (annulaire ou en forme de disque) pourra être égal à 230 mm.

La largeur aa', bb', ou cc' d'une surépaisseur localisée présentant un profil 130A, 130B ou 130C est, dans le sens radial, de préférence comprise entre 2 et 30 fois la longueur d'onde X de la vibration piézoélectrique du résonateur afin d'éviter des problèmes de diffraction. Cette largeur aa', bb', cc' présente ainsi avantageusement dans le sens radial une valeur inférieure ou égale à 4 mm.

Les zones de surépaisseur 131 à 135 présentent une dimension en hauteur qui peut être comprise entre 0,5 et 10 micromètres par rapport à la surface principale de base de la face 1 1 de la partie centrale 130 du cristal sur laquelle sont formées ces zones de surépaisseur. A titre d'exemple, la surépaisseur peut être de 8,5 Fm dans le cas d'un résonateur à quartz à 10
MHz, partiel 3, coupe SC, l'épaisseur totale du cristal pouvant être de l'ordre de 551 Zm.

Dans le cas où des zones de surépaisseur 131, 136 ; 131', 136' (Figures 3 et 4) sont réalisées sur les deux faces 11, 12 du cristal, pour rendre le dispositif plus symétrique, la valeur de chaque surépaisseur doit être divisée par deux et, dans le cas de surépaisseurs à profil convexe, la valeur du rayon de courbure doit être multipliée par deux.

Comme on l'a déjà indiqué plus haut, il est important que chaque partie piégeante 131 à 136 présente toujours une autre partie piégeante symétrique par rapport à l'axe A du cristal en forme de disque afin d'éviter notamment qu'apparaissent des modes de vibration supplémentaires, une sensibilité accélérométrique trop élevée ou un vieillissement trop important.

Le choix d'une structure de zones de piégeage symétrique par rapport à l'axe
A du cristal, notamment le choix de zones de surépaisseur de forme annulaire centrées sur l'axe A, permet entre autres avantages une tolérance un peu plus grande dans le cas où la plaquette d'origine n'est pas parfaitement à faces parallèles et présente un défaut en coin.

Les électrodes 4, 5 en forme de disque des modes de réalisation des
Figures 1, 2 et 3, 4 présentent avantageusement un diamètre qui est inférieur à quinze fois l'épaisseur du cristal du résonateur. Ainsi, dans le cas d'un exemple de réalisation conforme aux Figures 1 et 2 où le cristal 10 présente une épaisseur de 551 Clam, les électrodes 4, 5 peuvent présenter un diamètre par exemple de 7 mm. Les électrodes 4, 5 non adhérentes au cristal doivent pouvoir exciter la vibration des zones de surépaisseur.Dans la mesure où l'on part, pour le canal 10, d'une lame à faces très parallèles, on peut réaliser par usinage chimique suivi d'un léger polissage mécanique des renfoncements d'épaisseur très faible, de l'ordre du micromètre, dans les plateaux 20, 30 de support des électrodes 4, 5, de sorte que ces électrodes peuvent se trouver à de très faibles distances des parties de piégeage réalisées par des surépaisseurs en forme de disque ou d'anneau. Un résonateur selon l'invention peut ainsi présenter un coefficient de surtension élevé et une résistance dynamique faible, ce qui est particulièrement avantageux.

Les zones de surépaisseur, par exemple annulaires 136, ou en forme de disque 131 à 135, et présentant un profil 130A (Figure SA), peuvent être créées en utilisant les techniques de photolithogravure et d'usinage chimique. Les profils 130B, 130C des Figures SB, 5C peuvent être obtenus par une simple technique de polissage mécanique. Dans le cas du profil 130C de la Figure SC, le rayon de courbure Rc d'une surépaisseur convexe dépend de la surépaisseur initiale et de la longueur de la surépaisseur dans le sens radial. Dans le cas d'une longueur de la surépaisseur égale à 4 mm dans le sens radial, pour un résonateur à 10 MHz, partiel 3, coupe SC, on peut avoir un rayon de courbure Rc de 230 mm pour une surépaisseur finale de 8,7 ,um.

Diverses techniques peuvent être utilisées pour la réalisation des surépaisseurs (rodage, polissage ou usinage ultrasonore par un outil de forme) en fonction de la géométrie de ces zones de surépaisseur.

La Figure SD montre une réalisation particulière dans laquelle les surépaisseurs localisées annulaires 136, 137, 138 sont séparées entre elles par des portions annulaires anguleuses 144, 145, 146, les diverses surépaisseurs localisées annulaires 136, 137, 138 définissant en coupe selon un plan axial un profil en dents de scie. Ainsi, sur la Figure SD, on voit, à côté d'une surépaisseur centrale 131 à profil convexe, comme pour les modes de réalisation des Figures 2 et 4, des surépaisseurs 136, 137, 138 en dent de scie représentant un profil 130D différent des profils 130A à 130C des Figures SA à 5C, et présentant une largeur cc' dans le sens radial qui peut être différente selon les dents de scie mais reste de valeur inférieure à par exemple 4 mm.Les surépaisseurs en dent de scie 136 à 138, de forme annulaire, peuvent présenter un rayon de courbure Rc analogue au rayon de courbure de la surépaisseur centrale convexe en forme de disque 131.

On a représenté en pointillés sur la Figure 5D la forme qu'aurait un résonateur plan-convexe traditionnel dans lequel le piégeage de l'énergie serait effectué au sein d'une seule zone convexe située en regard des électrodes et pour laquelle la différence d'épaisseur entre le centre et la périphérie de la partie convexe est substantielle. Comme cela a été signalé dans la partie introductive, si l'on considère que la partie utile du résonateur est celle où l'épaisseur e du cristal est maximale à Ae près, on voit que dans la réalisation de la Figure 5D, la partie utile du résonateur est très nettement augmentée par rapport à un résonateur qui serait limité par la face convexe en pointillés, le facteur d'amélioration pouvant aller de 10 à plusieurs centaines selon le cas.On voit en effet que dans un système comprenant une pluralité de zones de surépaisseur localisées en forme de disque 131 ou d'anneaux 136, 137, 138, la partie utile du résonateur est répartie sur plusieurs zones d'épaisseur maximale dans la partie active 130 du cristal située en regard des électrodes.

Les Figures 7 et 8 montrent un résonateur selon l'invention mettant en oeuvre le mode de réalisation de la Figure SD, en faisant apparaître la localisation des électrodes 4, S supportées par des plateaux 20, 30 ; par rapport au cristal 10 les surépaisseurs 131, 136, 137, 138 constituent des zones de piégeage de l'énergie et remplacent un piégeage par rayon de courbure unique tout en réduisant fortement l'inconvénient de résonateurs classiques présentant une épaisseur fortement variable.

A titre d'exemple, dans le cas d'un résonateur classique à cristal plan-convexe 10 MHz, coupe SC, partiel 3 présentant un rayon de courbure de 230 mm, la variation d'épaisseur sous des électrodes présentant un diamètre de 4,3 mm est de 10 Fm.

Dans le cas de la réalisation de zones de surépaisseur multiples à profil convexe 130C et présentant une largeur cc' de 2 mm, respectivement 1 mm, avec un rayon de courbure de 230 mm, la variation d'épaisseur du cristal vibrant sous les mêmes électrodes est 4,6 fois, respectivement 18,5 fois plus faible. Si les zones de surépaisseur assurant un multi-piégeage présentent le profil 130A ou 130B des Figures SA ou SB, les variations d'épaisseur au sein des parties actives de piégeage d'énergie du cristal sont encore plus faibles et peuvent être considérées comme quasi nulles.

D'une manière générale, il est souhaitable que les surépaisseurs localisées réalisées sur la surface principale de base d'une même face 11, 12 de la partie centrale du cristal présentent des variations de dimension en hauteur inférieures à 2 micromètres. De la sorte, il est assuré que le coefficient de surtension est amélioré par rapport à des résonateurs traditionnels.

En résumé, le système de surépaisseurs localisées remplace, lorsqu'il est réalisé sur une seule face du cristal, un piégeage par lentille plano-convexe et, lorsqu'il est réalisé sur deux faces, un piégeage par lentille biconvexe. Le résonateur vibre comme un résonateur piégé selon la technique de Warner tout en ayant un spectre plus pur et un coefficient de surtension amélioré, ce qui permet, entre autres, de réaliser des oscillateurs de meilleure stabilité à court terme. Par ailleurs, les technologies d'abrasion chimique par attaque de zones non recouvertes d'une couche protectrice (photolithogravure) sont très précises et on constate qu'il est ainsi possible de réaliser des géométries de résonateur avec une grande précision et une grande symétrie. Entre autres avantages obtenus, on peut citer une diminution de la sensibilité accélérométrique et du vieillissement.

Pour le mode de réalisation des Figures 3 et 4, à titre d'exemple, on peut réaliser des surépaisseurs 131, 136 et 131', 136' présentant, pour la surépaisseur 131, 131' en forme de disque, un diamètre de 2 mm et, pour la surépaisseur 136, 136', une largeur également de 2 mm. Selon un autre exemple, la surépaisseur centrale 131, 131' en forme de disque peut présenter un diamètre de 1 mm et la surépaisseur annulaire 136, 136' peut être subdivisée en deux surépaisseurs annulaires présentant chacune une largeur de 1 mm.

Pour la réalisation de surépaisseurs selon le mode de réalisation de la Figure SD, on peut utiliser un outil spécial 80 représentant en négatif la forme finale du résonateur. Cet outil spécial 80 peut comporter des pièces cylindriques P1, P2, P3, P4, P5 coaxiales qui s'emboîtent les unes dans les autres. Si, dans le mode de réalisation de la Figure SD, les différentes surépaisseurs à profil convexe 131, 136, 137, 138 présentent chacune un rayon de courbure Rc, les différentes pièces P1 à P4 de l'outil 80 sont rodées au rayon Rc puis décalées parallèlement à leur axe pour définir, avec une pièce cylindrique P5 dont la face frontale est plane, l'outil 80 qui est présenté avec son axe de révolution dans l'alignement de l'axe A du cristal 10 pour former le profil des surépaisseurs 131, 136 à 138 sur le cristal 10 (Figure 6).

Dans les divers modes de réalisation décrits plus haut, on a considéré diverses zones de surépaisseur d'un cristal 10 coopérant avec une paire d'électrodes communes 4,5.

Pour certaines applications, il est toutefois possible de réaliser des paires d'électrodes multiples 41, 51; 42, 52 ; 43, 53, chaque paire d'électrodes correspondant à une zone de surépaisseur. Ainsi, on a considéré sur les Figures 9 et 10 un résonateur comprenant sur sa face principale 11 une surépaisseur centrale 131 en forme de disque et deux surépaisseurs annulaires concentriques 136, 137 centrées sur l'axe A. Dans ce cas, les diverses paires d'électrodes sont annulaires. Les électrodes 41, 51 formées respectivement sur les plateaux 20,30 sont placées en regard de la surépaisseur centrale 131.Les électrodes 42, 52 formées respectivement sur les plateaux 20, 30 sont placées en regard de la première surépaisseur annulaire 136 et les électrodes 43, 53 formées respectivement sur les plateaux 20, 30 sont placées en regard de la deuxième surépaisseur annulaire 137.

La Figure 1 1 montre une vue partielle du mode de réalisation de la
Figure 10, dans lequel les électrodes 41 à 43 sont connectées en parallèle à une borne de connexion 40, tandis que les électrodes 51 à 53 sont connectées en parallèle à une borne de connexion 50. Dans le cas d'un montage des électrodes en parallèle, les électrodes présentent la même symétrie que les surépaisseurs de piégeage par rapport à l'axe A et chaque électrode est le moins large possible (si possible de l'ordre de la longueur d'onde) afin de réduire les modes de vibration non souhaités. Toutefois, il convient dans ce cas de réaliser un compromis de construction pour ne pas réduire à l'excès la surface totale d'électrodes et ne pas trop augmenter la résistance dynamique du résonateur.

On notera que les zones de surépaisseur en forme de disque 131 ou d'anneaux 136, 137 présentent des épaisseurs moyennes très proches les unes des autres mais qui peuvent dans certains cas être très légèrement différentes. Les résonateurs élémentaires concernés sont alors de fréquence légèrement différente, le résonateur élémentaire correspondant à l'épaisseur la plus réduite présentant la fréquence la plus élevée. Sur la Figure 11, on a supposé que parmi les trois zones de piégeage 131, 136, 137, le cristal 10 était le plus mince au niveau de la zone 137 et le plus épais au niveau de la zone 131. Dans ce cas, un condensateur 61 est connecté entre la borne commune de connexion 40 et l'électrode 42 et un condensateur 62 est connecté entre la borne commune 40 et l'électrode 41.Les condensateurs 61, 62 réalisent une compensation capacitive qui permet aux différents résonateurs élémentaires de vibrer exactement sur la même fréquence. On notera que cette compensation capacitive n'est possible que parce que les différences d'épaisseur à compenser sont faibles compte tenu de la conception de ce type de résonateur.

On décrira maintenant en référence aux Figures 12 et 13 encore un autre mode de réalisation possible d'un résonateur selon l'invention mettant en oeuvre deux résonateurs sur une même plaquette de cristal piézoélectrique 10 dont la partie périphérique 110 est prise en sandwich entre les parties périphériques 210, 310 des deux plateaux 20, 30 de support d'électrodes d'excitation.

Dans l'exemple des Figures 12 et 13, chacune des faces principales 11, 12 du cristal 10 porte deux zones de piégeage d'énergie constituées par des surépaisseurs localisées 171, 172, respectivement 173, 174. Les surépaisseurs 171, 173 coopèrent avec des électrodes 44, 54 formées respectivement sur les faces internes des plateaux 20, 30 tandis que les surépaisseurs 172, 174 coopèrent avec des électrodes 45, 55 formées également respectivement sur les faces internes des plateaux 20, 30.

L'ensemble 44, 171, 173, 54 constitue un premier résonateur élémentaire, tandis que l'ensemble 45, 172, 174, 55 constitue un second résonateur élémentaire.

Des gorges 180 sont formées dans le cristal 10 selon le plan contenant l'axe de symétrie A et par rapport auquel les résonateurs élémentaires sont symétriques. Ces gorges 180 formées sur chacune des faces 11, 12 du cristal 10 sont préférentiellement symétriques par rapport au plan médian z du cristal 10 et réduisent l'épaisseur du cristal 10 dans une zone intermédiaire entre les deux résonateurs élémentaires de manière à provoquer une atténuation du couplage entre les deux résonateurs élémentaires. Le pont résiduel délimité par les gorges 180 permet, par son dimensionnement sur le plan géométrique, et notamment son épaisseur, d'ajuster le couplage entre les résonateurs élémentaires. Si les gorges 180 sont inexistantes, il existe un couplage dur entre les résonateurs.

Avec le mode de réalisation des Figures 12 et 13, il est possible de créer, à partir de deux résonateurs élémentaires, un nouvel ensemble dont les caractéristiques, en particulier le coefficient de qualité, peuvent être supérieures à celles des résonateurs individuels, pris séparément.

Pour certaines applications, les résonateurs élémentaires peuvent être montés en série. Ainsi, sur la Figure 13, on a représenté l'électrode 54 du premier résonateur élémentaire connectée à l'électrode 45 du deuxième résonateur élémentaire par un chemin conducteur 63.

Claims (20)

REVENDICATIONS

1. Résonateur piézoélectrique à ondes de volume comprenant un cristal (10) en forme de plaquette présentant un axe de symétrie A perpendiculaire à un plan moyen de la plaquette qui est munie d'une partie périphérique formant bague (110) reliée à une partie centrale (130) par une zone intermédiaire de liaison (120), des premier et second moyens de création d'un champ électrique alternatif excitateur comprenant des première et seconde électrodes (4, S) non adhérentes au cristal (10) disposées en regard respectivement de chacune des première et seconde faces (11, 12) de la partie centrale (130) du cristal (10), sans contact avec ces faces, ces première et seconde électrodes (4, S) étant portées par des premier et second plateaux (20, 30) en matériau diélectrique dont la partie périphérique (210, 310) est en contact avec la partie périphérique (110) du cristal (10) pour positionner les première et seconde électrodes (4, 5) par rapport aux première et seconde faces (11, 12) du cristal (10),

caractérisé en ce qu'au moins l'une (11) des première et seconde faces (11, 12) du cristal (10) comprend un ensemble de zones de piégeage d'énergie qui sont constituées par des surépaisseurs localisées (131 à 138; 171, 172) s'étendant chacune radialement dans ladite partie centrale (130) sur une longueur réduite et qui présentent une symétrie par rapport à l'axe de symétrie A.

2. Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque surépaisseur localisée (131 à 138 ; 171, 172) présente dans le sens radial une largeur comprise entre 2 et 30 fois la longueur d'onde X de la vibration piézoélectrique du résonateur.

3. Résonateur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que chaque surépaisseur localisée (131 à 138 ; 171, 172) présente dans le sens radial une largeur inférieure ou égale à 4 mm.

4. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les surépaisseurs localisées (131 à 138; 171, 172) présentent une dimension en hauteur comprise entre 0,5 et 10 micromètres par rapport à la surface principale de base de la face (11, 12) de la partie centrale (130) du cristal (10) sur laquelle sont formées les surépaisseurs localisées (131 à 138 ; 171, 172).

5. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les surépaisseurs localisées (131 à 138 ; 171, 172) réalisées sur la surface principale de base d'une même face (11, 12) de la partie centrale (130) du cristal (10) présentent des variations de dimension en hauteur inférieures à 2 micromètres.

6. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que, en coupe selon un plan axial, les surépaisseurs localisées (131 à 138; 171, 172) présentent un profil rectangulaire (130A).

7. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à S, caractérisé en ce que, en coupe selon un plan axial, les surépaisseurs localisées (131 à 138 ; 171, 172) présentent un profil rectangulaire (130B) avec des bords arrondis.

8. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, en coupe selon un plan axial, les surépaisseurs localisées (131 à 138 ; 171, 172) présentent un profil convexe (130C) à grand rayon de courbure.

9. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 58, caractérisé en ce que certaines au moins des surépaisseurs localisées (131 à 135 ; 171, 172) présentent en vue en plan la forme d'un disque et sont disposées de façon à présenter une symétrie par rapport à l'axe de symétrie A du cristal (10).

10. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que certaines au moins des surépaisseurs localisées (136 à 138) présentent en vue en plan une forme annulaire de révolution autour de l'axe de symétrie A du cristal (10).

11. Résonateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les surépaisseurs annulaires (132, 136, 137) sont séparées entre elles par des portions annulaires planes (141, 142) de la surface principale de base de la face (11, 12) de la partie centrale (130) du cristal (10) sur laquelle sont formées les surépaisseurs localisées (132, 136, 137).

12. Résonateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les surépaisseurs localisées annulaires (136, 137, 138) sont séparées entre elles par des portions annulaires anguleuses (144, 145, 146), les diverses surépaisseurs localisées annulaires (136, 137, 138) définissant en coupe selon un plan axial un profil en dents de scie.

13. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend une électrode (4) commune en forme de disque située en regard de l'ensemble des surépaisseurs localisées (131 à réalisées sur la surface principale de base d'une même face (11, 12) de la partie centrale (130) du cristal (10).

14. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que chacune des première et seconde électrodes (4, S) est divisée en un ensemble d'électrodes individuelles (41, 42, 43, 51, 52, 53 ; 44, 45 ; 54, 55) situées en regard des différentes zones de piégeage d'énergie constituées par les surépaisseurs localisées (131 à 138 ; 171, 172).

15. Résonateur selon la revendication 14, caractérisé en ce que les différentes électrodes individuelles (41 à 43 ; 51 à 53) situées en regard d'une même face (11, 12) de la partie centrale (130) du cristal (10) sont connectées en parallèle.

16. Résonateur selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'au moins un condensateur d'ajustement (61, 62) est monté en série entre un point commun (40) de connexion des électrodes individuelles (41 à 43) situées en regard d'une même face (11) de la partie centrale (130) du cristal (10) et l'une de ces électrodes individuelles (41, 42).

17. Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend sur au moins l'une des première et seconde faces (11, 12) du cristal (10) au moins deux zones de piégeage d'énergie constituées par des surépaisseurs localisées (171, 172, 173, 174) et coopérant chacune avec une paire d'électrodes individuelles (44, 54, 45, 55) pour constituer des premier et second éléments de résonateur, et en ce qu'au moins une électrode individuelle (4) coopérant avec l'une des première et seconde faces (11, 12) du cristal (10) est connectée en série avec une électrode individuelle (45) coopérant avec l'autre des première et seconde faces (11, 12) du cristal (10).

18. Résonateur selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'au moins une gorge (180) est formée dans le cristal (10) pour réduire son épaisseur dans une zone intermédiaire entre lesdites au moins deux zones de piégeage d'énergie (171, 172) de manière à provoquer une atténuation du couplage entre lesdits premier et second élements de résonateur.

19. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que les surfaces principales de base des première et seconde faces (11, 12) de la partie centrale (130) du cristal (10) sont planes et parallèles et définissent une épaisseur moyenne constante avec des variations d'épaisseur inférieures à S x 10-4 X où X représente la longueur d'onde de la vibration piézoélectrique.

20. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que les surfaces principales de base des première et seconde faces (11, 12) de la partie centrale (130) du cristal (10) sont légèrement convexes tout en présentant un rayon de courbure supérieur ou égal à 1000 mm.