Un des principaux axes de recherche du Laboratoire de Chronométrie, Electronique et Piézoélectricité (LCEP) de lEcole Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques (ENSMM) à Besançon est létude et lamélioration des résonateurs à quartz, dispositifs utilisés dans les applications dites temps-fréquence Ÿ. Les résonateurs sont le plus souvent constitués dun disque de quartz dune dizaine de millimètres de diamètre et dune épaisseur de lordre 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 dobtenir les propriétés souhaitées pour le résonateur. Ces composants présentent la particularité de disposer dune fréquence propre de résonance pouvant être comprise entre un et une centaine de MégaHerz. Insérés dans des dispositifs électroniques dentretien des oscillations, ils permettent la réalisation doscillateurs 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 dapplications (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 dune 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, jusquà lheure 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 loscillateur, 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 quon appelle le défaut disochronisme. Cette problématique a donné lieu à la recherche dune coupe de quartz à défaut disochronisme nul. Ce travail a été effectué dans le cadre de la thèse Défaut disochronisme des résonateurs à quartz vibrant en cisaillement dépaisseur : théorie et expériences Ÿ présentée par Nicolas Gufflet, encadré par Roger Bourquin, professeur, et Jean-Jacques Boy, ingénieur de recherche à lENSMM.
• Le défaut disochronisme 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 lensemble de ces coefficients manquent à lheure actuelle et la prédiction de lorientation dune coupe à défaut disochronisme nul nest pas possible. Aussi, cest par une approche très pragmatique qua été mise en évidence lexistence dune telle coupe pour le quartz. Celle-ci, baptisée coupe LD ( Low isochronism Defect Ÿ ou faible défaut disochronisme), a été totalement caractérisée et des résonateurs ont été réalisés et optimisés. Les prototypes fabriqués présentent des particularités très intéressantes et notamment un défaut disochronisme extrêmement faible, si faible quil 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