FR3035101B1 - Element de support d'un dispositif thermo-regule, capteur et micro-horloge associes - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un élément de support (10) d'un dispositif thermo-régulé (11), ledit élément de support (10) comportant au moins un élément de liaison (12b) apte à assurer une liaison entre le dispositif thermo-régulé (11) et au moins une face interne (14) de l'élément de support (10), ledit élément de liaison (12b) comportant une première extrémité (16) reliée à l'élément de support (10), et une deuxième extrémité (17), opposée à la première extrémité (16), destinée à être reliée à une face externe (18) du dispositif thermo-régulé (11), la longueur minimale (lm1-lm2) de l'élément de liaison (12b) entre les deux extrémités (16, 17) étant au moins 1.5 fois supérieure à la distance (L1-L2) entre les deux extrémités (16, 17) de l'élément de liaison (12b).
Description
ELEMENT DE SUPPORT D’UN DISPOSITIF THERMO-REGULE, CAPTEUR ET MICRO-HORLOGE ASSOCIES
Domaine Technique L’invention concerne un élément de support pour un dispositif thermo-régulé et vise plus particulièrement à limiter l’influence de la température extérieure sur le dispositif thermo-régulé. L’invention trouve une application particulièrement avantageuse pour les puces micro-fabriquées par des procédés MEMS utilisées pour un capteur ou une micro-horloge.
Art ANTERIEUR
Les puces thermo-régulées présentent l’avantage de s’affranchir des variations de température extérieures. A cet effet, les puces thermo-régulées intègrent un dispositif de régulation de la température. Les puces thermo-régulées sont nécessairement montées dans un élément de support pour absorber les variations de l’environnement et les chocs externes. Cet élément de support comporte des moyens pour relier la puce thermo-régulée avec des éléments extérieurs, notamment pour son alimentation électrique et échanger des signaux.
Cependant, la liaison entre la puce thermo-régulée et l’élément de support crée un chemin thermique de sorte qu’une partie des variations de température subies par l’élément de support sont transmises à la puce thermo-régulée. Pour limiter l’influence de ce chemin thermique, il est connu d’utiliser un élément de support constitué d’un matériau isolant thermiquement et/ou d’augmenter l’épaisseur des parois de l’élément de support. Pour des applications de précision, cette méthode est insuffisante pour garantir une isolation thermique efficace de la puce thermo-régulée.
Pour limiter la conductivité thermique du chemin thermique entre la puce thermo-régulée et l’élément de support, le brevet américain No 7,215,213 propose de suspendre une puce thermo-régulée rectangulaire à l’intérieur d’un élément de support dont la paroi interne est octogonale. La puce thermo-régulée est suspendue par ses quatre coins au moyen de deux éléments de liaison reliant chaque coin à chaque angle de la paroi interne octogonale de l’élément de support.
En outre, chaque élément de support est réalisé par une bande rectiligne de matériau. Bien que le matériau sélectionné pour les bandes des éléments de liaison soit particulièrement résistant thermiquement, les chemins thermiques créés par ces éléments de liaison sont encore trop conducteurs pour certaines applications de précision.
Le problème technique de l’invention consiste donc à limiter les chemins thermiques entre une puce thermo-régulée et son élément de support, tout en garantissant la stabilité mécanique du montage.
Expose de l’invention
La présente invention propose de résoudre ce problème technique par une puce thermo-régulée reliée à un élément de support au moyen d’au moins un élément de liaison dont la forme est adaptée pour augmenter la longueur entre la puce thermo-régulée et l’élément de support et ainsi absorber de plus grandes variations thermiques.
Selon un premier aspect, l’invention concerne un élément de support d’une puce thermo-régulée, ledit élément de support comportant au moins un élément de liaison apte à assurer une liaison entre la puce thermo-régulée et au moins une face interne de l’élément de support, ledit élément de liaison comportant une première extrémité reliée à l’élément de support, et une deuxième extrémité, opposée à la première extrémité, destinée à être reliée à une face externe de la puce thermo-régulée, la longueur minimale de l’élément de liaison entre les deux extrémités étant au moins 1.5 fois supérieure à la distance entre les deux extrémités de l’élément de liaison.
Autrement dit, l’invention consiste à suspendre la puce avec des éléments de liaison formant des chemins thermiques qui ne sont pas rectilignes, mais de forme complexe, de manière à allonger le chemin thermique. Cet allongement peut servir une latitude de mouvement de la puce, qui n’est pas souhaitable, mais avec toutefois des avantages dans le comportement thermique du système. L’invention permet ainsi d’augmenter la longueur du chemin thermique entre l’élément de support et la puce thermo-régulée. Les échanges thermiques entre l’élément de support et la puce thermo-régulée sont ainsi limités par rapport aux dispositifs de l’art antérieur.
Selon un mode de réalisation, la puce thermo-régulée correspond à une puce micro-fabriquées (MEMS).
Selon un mode de réalisation, la longueur minimale de l’élément de liaison entre les deux extrémités présente une résistance thermique supérieure à 10 000 K.W-1. Ce mode de réalisation permet de limiter les échanges thermiques entre l’élément de support et la puce thermo-régulée. La puissance nécessaire P pour chauffer une puce thermo-régulée en fonction de la température de la puce souhaitée Tpuce de la température extérieure Text et de la résistance thermique de l’élément de liaison Rthermique est donnée par : P = (Tpuce - Text)/Rthermique. Pour obtenir une différence de température de 100°C entre la température de la puce Tpuce et la température extérieure Text et consommer une puissance inférieure à lOmW, la résistance thermique doit être au moins égale à 10 000 K. VP-1.
Selon un mode de réalisation, l’élément de support comporte deux, trois ou quatre éléments de liaison, la somme des résistances thermiques dans la longueur minimale entre les deux extrémités des éléments de liaison étant supérieure à 10 000 K. VP-1.
Selon un mode de réalisation, l’élément de liaison est réalisé dans un matériau isolant électrique dont la conductivité thermique est inférieure ou égale à 35 Ce mode de réalisation permet de d’augmenter la conductivité thermique de l’élément de liaison. La valeur de 35 PP. m_1. K-1 est la conductivité thermique de la céramique A1203.
Selon un mode de réalisation, l’élément de liaison est de forme courbe. La forme courbe permet d’augmenter la longueur de l’élément de liaison entre deux points comparativement à une forme droite.
Selon un mode de réalisation, l’élément de liaison est de forme hélicoïdale, les deux extrémités correspondant à des extrémités opposées de la forme hélicoïdale. Ce mode de réalisation permet à la fois d’absorber efficacement les différences de température entre la puce et l’élément de support et les déplacements de l’élément de support.
Selon un mode de réalisation, l’élément de liaison est en forme de lame.
Selon un mode de réalisation, l’élément de liaison à une raideur mécanique supérieure à 1300 N/m, de façon à limiter les déplacements relatifs de la puce par rapport à l’élément de support, sous l’effet d’accélérations ou de chocs.
Selon un mode de réalisation, l’élément de liaison est réalisé à partir d’une plaque de soutien sensiblement plane. La première extrémité de l’élément de liaison est formée par tous les points de la plaque reliés à l’élément de support par l’élément de liaison. La deuxième extrémité de l’élément de liaison est formée par tous les points de la plaque reliés à la puce thermo-régulée par l’élément de liaison. La longueur minimale de l’élément de liaison est la longueur minimale possible pour relier un point de la plaque relié à la puce thermo-régulée à un point de la plaque relié à l’élément de support. Ce mode de réalisation permet d’isoler efficacement des variations thermiques, d’absorber les déplacements de l’élément de support et de filtrer les perturbations mécaniques de type chocs et vibrations. De préférence, la conception de cette plaque peut être adaptée à l’application.
Selon un mode de réalisation, l’élément de liaison comporte une plateforme apte à assurer le montage de la puce thermo-régulée et éventuellement d’autres composants sur l’élément de liaison.
Selon un mode de réalisation, la puce thermo-régulée correspond à une cellule à vapeur alcaline.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un capteur comportant une puce thermo-régulée montée dans un élément de support selon le premier aspect de l’invention. Ce deuxième aspect est particulièrement adapté aux capteurs atomiques. Un capteur atomique est un dispositif permettant de mesurer une grandeur physique, par exemple une vitesse de rotation ou un champ magnétique, par le biais de la variation des niveaux d’énergie des atomes.
Selon un troisième aspect, l’invention concerne une micro-horloge atomique comportant une puce thermo-régulée montée dans un élément de support selon le premier aspect de l’invention.
Description sommaire des figures
La manière de réaliser l’invention ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien du mode de réalisation qui suit, donné à titre indicatif mais non limitatif, à l’appui des figures annexées dans lesquelles les figures 1 à 3 représentent : - Figure 1 : une vue en coupe de côté d’une puce thermo-régulée montée dans un élément de support selon un premier mode de réalisation de l’invention ; - Figure 2 : une vue en coupe de dessus d’une puce thermo-régulée montée dans un élément de support selon un deuxième mode de réalisation de l’invention; et - Figure 3 : une vue en coupe de dessus d’une puce thermo-régulée montée dans un élément de support selon un troisième mode de réalisation de l’invention.
Description detaillee de l’invention
La Figure 1 illustre un premier mode de réalisation dans lequel une puce thermo-régulée 11 est montée dans un élément de support 10 partiellement représenté. L’élément de support 10 forme un boîtier plein à l’inténeur duquel la puce thermo-régulée 11 est installée. La partie supérieure de l’élément de support 10 n’est pas représentée sur la Figure 1 ainsi que les faces avant et arrière. L’élément de support 10 comporte au moins une face interne 14 sur laquelle la puce thermo-régulée 11 est fixée. Pour ce faire, la puce thermo-régulée 11 est montée sur trois éléments de liaison 12a prenant la forme de ressorts. Chaque ressort est interposé entre une face externe 18 de la puce thermo-régulée 11 et la face interne 14 de l’élément de support 10. Une première extrémité 16 de chaque ressort est fixée avec la face interne 14 de l’élément de support 10 et une deuxième extrémité 17 est fixée avec la face externe 18 de la puce thermo-régulée 11.
Les spires de chaque ressort ne sont pas jointes et sont isolées entre elles de sorte que la longueur de chaque ressort entre ses deux extrémités 16, 17, c’est-à-dire la longueur du chemin thermique, est particulièrement importante comparée à une distance rectiligne L1 entre les deux extrémités 16, 17. Par exemple, pour un ressort comportant 10 spires pour 5 mm de hauteur et 5 mm de diamètre, la longueur du ressort entre les deux extrémités 16, 17 est approximativement de 160 mm. La distance L1 égale à 5 mm entre les deux extrémités 16, 17 est particulièrement faible comparée à la longueur du ressort sensiblement égale à 160 mm entre les deux extrémités 16, 17. La longueur minimale de l’élément de liaison 12a entre les deux extrémités 16, 17 est ainsi plus de 30 fois supérieure à la distance L1 entre les deux extrémités 16, 17.
Ce mode de réalisation permet aux ressorts d’isoler efficacement la puce des variations thermiques de l’élément de support 10 et d’amortir les déplacements de l’élément de support 10 tels que ceux générés par des chocs et des vibrations. En variante, le nombre de ressort et les caractéristiques dimensionnelles de chaque ressort peuvent varier sans changer l’esprit de l’invention. En outre, plusieurs puces thermo-régulées 11 peuvent être maintenues dans un unique élément de support 10 par des ressorts distincts.
Les Figures 2 et 3 illustrent un deuxième et un troisième mode de réalisation dans lesquels une puce thermo-régulée 11 est également montée dans un élément de support 10 partiellement représenté. Dans ces modes de réalisation, l’élément de liaison 12b, 12c est réalisé à partir d’une plaque 21a, 21b de soutien sensiblement plane. La plaque 21a, 21b comporte des évidements 22a-22j disposés de sorte à augmenter la distance minimale lml-lm4 entre la face interne 14 de l’élément de support 10 et la face externe 18 de la puce thermo-régulée 11. L’élément de liaison 12b, 12c est défini par les parties de la plaque 21a, 21b permettant de relier la face interne 14 de l’élément de support 10 et la face externe 18 de la puce thermo-régulée 11. La première extrémité 16 de l’élément de liaison 12b, 12c est formée par tous les points de la plaque 21a, 21b reliés à l’élément de support 10. Dans les cas des Figures 2 et 3, la plaque 21a, 21b étant reliée par tous ces bords à la face interne 14 de l’élément de support 10, le point de l’élément de support 10 par rapport auquel est mesuré la longueur minimale lml-lm4 correspond à la première extrémité 16. De la même manière, le point de la puce thermo-régulée 11 par rapport auquel est mesurée la longueur minimale lml-lm4 correspond à la deuxième extrémité 17 de l’élément de liaison 12b, 12c. Il convient donc de distinguer les différentes zones de la plaque 21a, 21b reliées à la puce thermo-régulée 11. Un élément de liaison 12b, 12c prend naissance dans chacune de ces zones et s’étend sur la plaque par le plus court chemin jusqu’à l’élément de support 10. Pour chaque élément de liaison 12b, 12c, il est possible de mesurer la longueur minimale lml-lm4 de l’élément de liaison 12b, 12c permettant de relier la puce thermo-régulée 11 et l’élément de support 10. Cette longueur minimale lml-lm4 est toujours supérieure à 1.5 fois la distance L1-L4 entre les deux extrémités 16, 17 de l’élément de liaison 12b, 12c considéré.
Dans le cas de la Figure 2, la plaque 21a comporte deux évidements 22a, 22b circulaires qui sont entrelacés autour de la puce thermo-régulée 11. La plaque 21a soutient les parties supérieure et inférieure de la puce thermo-régulée 11 au moyen de deux bras semi-circulaires. La plaque 21a comporte donc deux éléments de liaison 12b. Un premier élément de liaison 12b prend naissance au niveau de la partie supérieure de la puce thermo-régulée 11 et s’étend dans un premier bras de la plaque 21a pour rejoindre la face interne 14 de l’élément de support 10. Un deuxième élément de liaison 12b prend naissance au niveau de la partie inférieure de la puce thermo-régulée 11 et s’étend dans un deuxième bras de la plaque 21a pour rejoindre la face interne 14 de l’élément de support 10. Chaque élément de liaison 12b s’étend circulairement entre les évidements 22a, 22b entrelacés au niveau des bras de la plaque 21a. Cette courbure des éléments de liaison 12b augmente la longueur des éléments de liaison 12b. La largeur de chaque évidement 22a, 22b est sensiblement identique à la largeur de l’élément de liaison 12b au niveau de la courbure de chaque élément de liaison 12b.
Dans le cas de la Figure 3, la plaque 21c comporte douze évidements 22c-22j disposés régulièrement autour de la puce thermo-régulée 11. Quatre évidements formant des segments circulaires 23a-23d sont disposés sur chaque côté de la puce thermo-régulée 11 de sorte que la plaque soutienne la puce thermo-régulée 11 uniquement au niveau de ces quatre coins. Quatre évidements 22c-22f semi-circulaires forment un premier cercle autour de la puce thermo-régulée 11, un espace étant ménagé entre chaque évidement 22c-22f. Quatre évidements 22g-22j semi-circulaires forment un deuxième cercle autour de la puce thermo-régulée 11 et autour du premier cercle. Un espace est ménagé entre chaque évidement 22g-22j et décalé par rapport aux espaces du premier cercle.
La plaque 21c étant reliée aux quatre coins de la puce thermo-régulée 11, la plaque 21c comporte quatre éléments de liaison 12c. Un premier élément de liaison 12c prend naissance au niveau du coin supérieure gauche de la puce thermo-régulée 11, un deuxième élément de liaison 12c prend naissance au niveau du coin supérieure droit, un troisième élément de liaison 12c prend naissance au niveau du coin inférieur gauche et un quatrième élément de liaison 12c prend naissance au niveau du coin inférieur droit. Chaque élément de liaison 12c s’étend circulairement autour des évidements 23a-23d jusqu’à un espace entre les évidements 22c-22f semi-circulaires du premier cercle et s’étend circulairement autour des évidements 22c-22f semi-circulaires du premier cercle jusqu’à un espace entre les évidements 22g-22j semi-circulaires du deuxième cercle puis de manière rectiligne jusqu’à la face interne 14 de l’élément de support 10. La courbure des éléments de liaison 12c augmente la longueur des éléments de liaison 12c. L’épaisseur de chaque évidement 22c, 22j semi-circulaire est sensiblement identique à l’épaisseur de l’élément de liaison 12c au niveau de la courbure de chaque élément de liaison 12c.
En variante, une plaque 21a, 21b unique peut permettre de maintenir plusieurs puces thermo-régulées 11 à l’intérieur de l’élément de support 10. L’élément de support est préférablement réalisé dans un matériau isolant électrique dont la conductivité thermique est inférieure ou égale à 35 W.m^.K-1 tel que la céramique, le silicium poreux, le verre ou le titane recouverte d’une couche isolante. La puce thermo-régulée 11 peut être une puce micro-fabriquées (MEMS) telle qu’une cellule à vapeur alcaline. La puce thermo-régulée 11 peut également être montée sur une plateforme reliée à l’élément de liaison 12. La plateforme permet de monter ou démonter la puce thermo-régulée 11 facilement et sans soudures. L’invention permet ainsi de réduire le chemin thermique de l’élément de liaison 12 entre une puce thermo-régulée 11 et un élément de support 10. L’invention est adaptée pour un capteur ou une micro-horloge atomique afin de garantir une meilleure stabilité du signal et réduire la puissance nécessaire à chauffer le système tout en garantissant la stabilité mécanique du montage.
Claims (12)
- REVENDICATIONS1. Elément de support (10) d’un dispositif thermo-régulé (11), ledit élément de support (10) comportant : - au moins un élément de liaison (12a-12c) apte à assurer une liaison entre le dispositif thermo-régulé (11) et au moins une face interne (14) de l’élément de support (10), - ledit élément de liaison (12a-12c) comportant : - une première extrémité (16) reliée à une face interne (14) de l’élément de support (10), et - une deuxième extrémité (17), opposée à la première extrémité (16), destinée à être reliée à une face externe (18) du dispositif thermo-régulé (11), caractérisé en ce que la longueur minimale (1ml-lm4) de l’élément de liaison (12a-12c) entre les deux extrémités (16, 17) est au moins 1.5 fois supérieure à la distance (L1-L4) entre les deux extrémités (16, 17) de l’élément de liaison (12a-12c), la longueur minimale (1ml -lm4) de l’élément de liaison (12a-12c) entre les deux extrémités (16, 17) présentant une résistance thermique supérieure à 10 000 K. MC1·,.
- 2. Elément de support (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif thermo-régulé (11) correspond à une puce micro-fabriquées par des. procédés MEMS.
- 3. Elément de support (10) selon l’une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu’il comporte deux, trois ou quatre éléments de liaison (12a- 12c), la somme des résistances thermiques dans la longueur minimale (lml-lm4) entre les deux extrémités (16, 17) des éléments de liaison (12a-12c) étant supérieure à 10 000 K. IV"1 et dont la raideur mécanique totale est supérieure à 1300 N/m.
- 4. Elément de support (10) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’élément de liaison (12a-12c) est réalisé dans un matériau isolant électrique dont la conductivité thermique est inférieure ou égale à 35 W.m'"1. K"1,
- 5. Elément de support (10) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’élément de liaison (12a-12c) est de forme courbe.
- 6. Elément, de support (10) selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l’élément de liaison (12a-12c) est de forme hélicoïdale, les deux extrémités (16, 17) correspondant à des extrémités opposées de la forme hélicoïdale.
- 7. Elément de support (10) selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l’élément de liaison (12a-12c) est en forme de lame.
- 8. Elément de support (10) selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l’élément de liaison (12a-12c) est réalisé à partir d’une plaque (21a, 21b) de soutien sensiblement plane, la première extrémité (16) de l’élément de liaison (12a-12c) étant formée par tous Ses points de la plaque (21a, 21b) reliés à l’élément de support (10) par l’élément de liaison (12a-12c), la deuxième extrémité (17) de l’élément de liaison (12a-12c) étant formée par tous les points de la plaque (21a, 21b) relies au dispositif thermo-régulé (11) par l’élément de liaison (12a-12c), la longueur minimale (lml-lm4) de l’élément de liaison (12a-12c) étant la longueur minimale possible pour relier un point de la plaque (21a, 21b) relié au dispositif thermo-régulé (11) à un point de la plaque (21a, 21b) relié à l’élément de support (10).
- 9. Elément de support (10) selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l’élément de liaison (12a-12c) comporte une plateforme apte à assurer le montage du dispositif thermo-régulé (11) et éventuellement d’autres composants sur l’élément de liaison (12a-12c).
- 10. Elément de support (10) selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le dispositif thermo-régulé (11) correspond à une cellule à vapeur alcaline.
- 11. Capteur comportant un dispositif thermo-régulé (11) monté dans un élément de support (10) selon l’une des revendications 1 à 10.
- 12. Micro-horloge atomique comportant un dispositif thermo-régulé (11) monté dans un élément de support (10) selon l’une des revendications 1 à 10.
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