Un des principaux axes de recherche du Laboratoire de Chronométrie, Electronique et Piézoélectricité (LCEP) de l’Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques (ENSMM) à Besançon est l’étude et l’amélioration des résonateurs à quartz, dispositifs utilisés dans les applications dites temps-fréquence Ÿ. Les résonateurs sont le plus souvent constitués d’un disque de quartz d’une dizaine de millimètres de diamètre et d’une épaisseur de l’ordre du millimètre, sur lequel sont déposées des électrodes. Le caractère piézoélectrique du quartz permet un couplage entre la vibration mécanique et le champ électrique excitateur. Le quartz étant un matériau anisotrope, une taille des disques selon une orientation cristalline judicieusement choisie permet d’obtenir les propriétés souhaitées pour le résonateur. Ces composants présentent la particularité de disposer d’une fréquence propre de résonance pouvant être comprise entre un et une centaine de MégaHerz. Insérés dans des dispositifs électroniques d’entretien des oscillations, ils permettent la réalisation d’oscillateurs qui donnent le tempo Ÿ à de nombreux équipements (appareils de mesure, équipements de communication, radars, ordinateurs…).
• Si les applications horlogères grand public, par exemple, ne requièrent pas des performances élevées, les domaines d’applications (aérospatiale, télécommunications…) des oscillateurs fabriqués au LCEP nécessitent des performances incomparablement plus élevées, au premier chef en terme de stabilité de la fréquence délivrée. Ces oscillateurs sont parmi les plus stables parmi ceux fabriqués actuellement. Pour exemple, si les montres à quartz perdent Ÿ une seconde tous les 3 mois, les oscillateurs fabriqués au LCEP perdent moins d’une seconde tous les 1000 ans.
• Pour réaliser ces oscillateurs ultra stables, on cherche à éliminer toute dépendance de la fréquence de résonance des résonateurs aux paramètres extérieurs (température, pression, accélération…). Toutefois, jusqu’à l’heure actuelle la fréquence de résonance des résonateurs était dépendante de leur amplitude de vibration tout comme le balancier des bonnes vieilles horloges comtoises. Ainsi, dans l’oscillateur, les variations de tension sur le résonateur entraînent une variation de fréquence et donc une dégradation de la stabilité des oscillateurs. Ce phénomène constitue ce qu’on appelle le défaut d’isochronisme. Cette problématique a donné lieu à la recherche d’une coupe de quartz à défaut d’isochronisme nul. Ce travail a été effectué dans le cadre de la thèse Défaut d’isochronisme des résonateurs à quartz vibrant en cisaillement d’épaisseur : théorie et expériences Ÿ présentée par Nicolas Gufflet, encadré par Roger Bourquin, professeur, et Jean-Jacques Boy, ingénieur de recherche à l’ENSMM.
• Le défaut d’isochronisme est un mécanisme non linéaire dont le calcul théorique fait intervenir, entre autres, les coefficients élastiques non linéaires du quatrième ordre. Malheureusement les valeurs numériques pour l’ensemble de ces coefficients manquent à l’heure actuelle et la prédiction de l’orientation d’une coupe à défaut d’isochronisme nul n’est pas possible. Aussi, c’est par une approche très pragmatique qu’a été mise en évidence l’existence d’une telle coupe pour le quartz. Celle-ci, baptisée coupe LD ( Low isochronism Defect Ÿ ou faible défaut d’isochronisme), a été totalement caractérisée et des résonateurs ont été réalisés et optimisés. Les prototypes fabriqués présentent des particularités très intéressantes et notamment un défaut d’isochronisme extrêmement faible, si faible qu’il atteint la limite de précision des méthodes de mesure actuelles ; il a été évalué à une valeur environ 100 fois inférieure à celle des résonateurs traditionnellement réalisés.
Roger Bourquin – Jean-Jacques Boy
LCPE – Laboratoire de Chronométrie,Electronique et Piézoélectricité
ENSMM Besançon
Tél. 03 81 40 28 41
Email:Roger.Bourquin@ens2m.fr– jjboy@ens2m.fr
