How to improve the frequency drif of quartz resonators for space applications ?
Comment améliorer la dérive des résonateurs à quartz pour applications spatiales ?
Résumé
Bulk acoustic wave quartz resonators have been used to stabilize electric oscillators for about thousand years. Amazing quartz material properties and technical improvement explain this lifespan. For spatial applications, components intervention is clearly impossible. Then, the frequency shift, which a part is due to aging, has to be reduced and well controled over many years. The frequency changes systematically with time under the impact of physical phenomenon variation. Here we sum up them and we did a quantitative analysis. Our first study concerns quartz plate stress relief. After a wide bibliographical search, we analyse some no-standard designs and the results put stress relief and dormant part in a prominent place. Helped by modern modeling tools, we design a new shape of quartz plate which has very low force-frequency sensistivity. Then, the measurments of several samples confirm this specifications. Our second study, mainly experimental, is about the pre-aging. Lots of problem in this kind of works, as time for example, require some carefully defined tests. Fractional factorial designs bring us some strict way to plan testing and to maximize obtained results about pre-aging parameters. The quantitative analysis results and experimental ones are leading to the same conclusion about physical phenomene bringing abut the aging.
Depuis près d'un siècle, les résonateurs à quartz à ondes de volume sont utilisés pour stabiliser les oscillateurs électriques. Cette longévité est due aux propriétés exceptionnelles du quartz et aux progrès constants de la technique. Pour les applications spatiales, il n'est généralement pas possible d'intervenir sur le composant. La dérive en fréquence doit alors être réduite et contrôlée sur des dizaines d'années. Cette variation systématique de la fréquence de résonance au cours du temps est due à l'évolution de plusieurs phénomènes physiques dont nous avons fait la synthèse et une analyse quantitative. Le premier de nos deux axes d'études porte sur l'étude des contraintes mécaniques dans la lame de quartz. Un travail bibliographique nous a permis d'étudier les spécificités de différentes formes de résonateur pour comprendre l'effet des contraintes mécaniques et les moyens de limiter la variation de fréquence induite. Les outils de modélisation actuels nous ont aidés à mettre au point une géométrie apportant une nette réduction de l'effet force-fréquence, confirmée par les mesures des premiers prototypes. L'autre axe d'étude est expérimental et prote sur un procédé essentiel communément appelé "pré-vieillissement". Les nombreuses contraintes de cette étude, telles que le temps, nous ont imposées une organisation méthodique de l'expérimentation. Ainsi, les plans factoriels fractionnaires nous ont permis de limiter les moyens techniques tout en obtenant les effets de chaque paramètre définissant le pré-vieillissement. Les résultats convergent vers la même conclusion que celle faite lors de l'étude quantitative des phénomènes physiques produisant le vieillissement.
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