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ETUDE DE CRISTAUX DE LGT POUR APPLICATIONS TEMPS-FREQUENCE – ECLATEMPS 2012

Cristaux de Langatate pour Applications Temps-Fréquence

De nouveaux matériaux piézoélectriques peuvent palier certains inconvénients du cristal de quartz : le cristal de Langatate en fait parti. Il possède un produit Q.f largement supérieur à celui du quartz. Nous en étudions ses propriétés pour des applications du domaine Temps-Fréquence.

Le principal enjeu est le remplacement du quartz

<br />- améliorer les produits du domaine Temps-Fréquence, <br />- utilisation pour des capteurs notamment haute température


La 1° partie de notre travail consistera à analyser plusieurs cristaux de différentes productions


Aucun à ce jour


Pas de changement pour l'instant


Rien

Dans le domaine de nombreuses applications du temps fréquence, le quartz reste le leader. Néanmoins, de “nouveaux matériaux” piézoélectriques font leur apparition qui, à un titre ou un autre, peuvent palier certains inconvénients du cristal de quartz (faible couplage piézoélectrique, importantes pertes acoustiques à hautes fréquences et surtout existence d’un point de Curie à 573°C qui limite sa « stabilité » et son utilisation en température).
L’intérêt, par exemple, du cristal GaPO4 utilisé comme capteur de température dans les chambres à combustion (moteur à explosion…) n’est plus à démontrer.
Du quartz dopé Germanium a une structure plus distordue que celle du quartz pur et présente une plus grande stabilité thermique (lire ici « utilisable » à plus haute température) et un fort coefficient de couplage (voir les conclusions de la REI n° 0534051).
Mais nous pouvons dire que ces “nouveaux” matériaux piézoélectriques ne remplaceront certainement pas le quartz pour les applications horlogères, ni dans toutes les applications où un oscillateur de performance courante est utilisé à une fréquence inférieure à 100 MHz.

Par contre, quelques récentes publications internationales ainsi que des travaux menés par FEMTO-ST ont montré que les matériaux appartenant à la famille des Langasites (et particulièrement la LGT) permettent des produits Q.f (bien) supérieurs à celui du quartz (2 à 3 fois). De plus, il est montré que les sensibilités aux contraintes et aux radiations de ces matériaux semblent plus favorables que pour le quartz.
Mais nous avons aussi montré que la qualité des ces matériaux était très inégale, non seulement d’un fabricant à un autre, mais aussi à l’intérieur d’une même « boule » de cristal. Il semble qu’il soit difficile d’obtenir un cristal dont la composition est homogène tout le long de son axe de tirage (généralement l’axe Z). Les mesures effectuées au département par microsonde montrent que les proportions de Tantale, constitutif de la maille cristalline, peuvent changer du simple au double d’un cristal à un autre. Qu’en est-il à l’intérieur d’un même échantillon et qu’en sera-t-il de l’influence de ces inhomogénéités sur le résonateur à ondes de volume utilisable comme élément d’une source de fréquence stable ?
Pour répondre à ces questions, il est nécessaire d’une part de mettre en place un programme de caractérisation du cristal de LGT de diverses provenances et d’autre part de prévoir la fabrication de résonateurs taillés dans les échantillons précédemment qualifiés. Et pour réaliser ces 2 volets de la proposition, nous nous sommes associés à Rakon (site d’Argenteuil) dont l’expertise dans le domaine des résonateurs de haute qualité et stabilité est reconnue au niveau international.
Notre proposition de projet développe ce programme.
Si certains résonateurs ne seront réalisés que pour qualifier le matériau, les autres auront une finalité correspondant aux besoins du domaine Temps-Fréquence.
Ainsi, outre l’étude des potentialités du matériau, ce présent projet a une double finalité :
- Fabrication d’oscillateurs à 10 MHz pour des applications de télécommunication de très haute stabilité (proche porteuse) et très faible vieillissement,
- Fabrication de résonateurs à 120 MHz pour les applications défense faible bruit de phase (plancher).
A la fin, de cette étude, nous devrions donc être à même d’écrire une procédure de qualification commerciale de cristaux de LGT et indiquer les potentialités, dans le domaine du Temps-Fréquence, des résonateurs réalisés, y compris pour ses applications à haute température.
Un 3° objectif est celui de se doter ensuite de compétences dans le domaine de la cristallogenèse de tels cristaux pour compléter une filière des matériaux piézoélectriques.

Coordinateur du projet

Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques (Laboratoire public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

RAKON FRANCE
Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques

Aide de l'ANR 293 174 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2013 - 36 Mois

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