Chapitre 3 Extension vers un oscillateur intégré pour des applications OCXO
3.2 Miniaturisation des OCXO
Privilégier l’intégration des électroniques dans ce type de dispositif permet de réduire de manière significative les volumes à thermostater tout en minimisant le nombre de composants utilisés. Le choix des matériaux et le positionnement des composants restent toutefois des contraintes à ne pas négliger car elles vont permettre de définir les puissances thermiques et électriques mises en jeu dans le système. On retrouve ainsi dans la littérature de nombreuses études menées dans le but de rendre ces structures plus compactes tout en cherchant à conserver des performances optimales. De ce fait, l’emplacement de la source thermique devient un paramètre stratégique favorable à la réduction des consommations et des temps de stabilisation du système.
3.2.1 Chauffage indirect du résonateur
FIGURE3.5 – Exemple d’un OCXO minia-
ture par un chauffage du boîtier du résona- teur (produit Ecliptek®Corporation).
Il s’agit de la méthode la plus fréquemment utilisée dans les produits OCXO industriels car elle permet d’ob- tenir de très bonnes stabilités malgré des temps de montée en température souvent conséquents de par l’importance de la masse thermique mise en jeu. Le résonateur encap- sulé est chauffé indirectement par conduction à travers son boîtier par l’intermédiaire de ses fixations que ce soit à l’aide d’un transistor de puissance ou d’une résistance dé- posée sur le substrat (céramique, FR-477...) comme mon- tré en figure 3.5. La miniaturisation de ce type d’architec- ture nécessite une stratégie quant au dimensionnement du
résonateur à quartz (fréquences d’utilisation) et au choix de son encapsulation : les architectures bas- profil présentant alors un fort potentiel pour ce type de dispositifs. En 2001, Igor ABRAMZONprésente,
en référence [113], la réalisation d’un double OCXO78 miniature en thermostatant une première confi- guration d’OCXO dans un boîtier TO-8 et dont les dimensions externes ne dépassent pas au final les 20×20×12,5 mm3.
3.2.2 Chauffage direct du résonateur
Cette méthode intitulée DHR (Direct Heating Resonator) consiste à placer des éléments résistifs en guise de source thermique directement sur le résonateur qui bénéficie, entre autre, de l’avantage d’être conservé sous vide dans son boîtier (pas de convection). Elle permet ainsi de diminuer de manière si- gnificative les temps de montée en température du fait d’un chauffage direct. Toutefois, bien qu’elle fut
77. Le FR-4 (Flame Resistant 4) est un matériau couramment utilisé dans la réalisation des circuits imprimés (résine epoxy renforcée par fibres de verre).
78. Les doubles OCXO (DOCXO) sont des structures à double thermostat permettant le maintien à une température constante du résonateur et de son électronique d’entretien pour garantir des performances optimales.
l’objet d’un brevet en 1969 [114], son exploitation pour des applications industrielles n’a pas vu le jour. En effet, l’inconvénient majeur de cette méthode est de ne pas pouvoir limiter l’influence des gradients de température dans le matériau (pertes par conduction via les fixations) impliquant ainsi une puissance thermique importante pour le maintenir à température constante. De plus, la mise en place d’un ther- mostat requiert l’utilisation d’une sonde de température placée au plus près du résonateur (voire à son contact) qui se retrouve alors soumis à des contraintes mécaniques supplémentaires ("mass loading") af- fectant les performances. L’apparition de gradients de température sous les films résistifs contribue aussi à ajouter des contraintes mécaniques.
Dans les années 90’, les travaux de Bruce LONG et al.[115], Igor ABRAMZON et al.[116, 117] et Serge GALLIOUet al.[118, 119] ont fortement contribué à l’amélioration du chauffage direct en s’ap- puyant sur des architectures mécaniques favorable à l’isolation thermique entre le résonateur et son boî- tier de manière à se prévaloir de toute surconsommation excessive. De plus, l’introduction de la coupe SC par EERNISSEen 1975 va permettre de s’affranchir des effets liés aux contraintes mécaniques induites
par la présence de films résistifs et à aussi l’avantage d’être utilisable comme capteur de température suite à l’excitation possible de son mode B79(travail en bi-mode). Plus récemment, le IHR [120] (Inter- nally Heated Resonator) a permis de combiner à la fois les avantages du DHR (transitoires rapides) et du chauffage par boîtier (faibles puissances statiques) dans un packaging tout aussi restreint.
3.2.3 Chauffage par l’intermédiaire de la puce
La miniaturisation ultime d’un OCXO nécessite une réduction conséquente des volumes à thermo- stater pour diminuer la consommation ainsi que les temps de montée en température. Ce fut l’objet des travaux de KIMet al.[121, 122] publiés en 2006 qui ont mis en valeur la fabrication d’un montage hy- bride utilisant une puce ASIC, réalisée en technologie CMOS AMI 0.5 µm, comme source thermique. Cet ASIC intègre plusieurs fonctions80hormis les capacités qui sont restées externalisées pour des rai- sons de test en perspective d’une intégration complète. La forme donnée au résonateur de coupe AT a fait l’objet d’une étude particulière [49] afin d’être adaptée à celle de la puce (rectangulaire) et ainsi pour permettre un assemblage facile entre les deux éléments. Deux architectures sont proposées :
• Le résonateur est assemblé sur la puce par collage électro-conducteur [121] : les interconnexions entre la puce et le résonateur sont directes.
• Le résonateur est maintenu entre le PCB et la puce via une lame de quartz pour garantir l’isolation électrique et améliorer ainsi la compatibilité thermo-mécanique entre les matériaux de nature différente (CTE) [122]. Les connexions électriques entre la puce et le résonateur sont réalisées par wire bonding.
79. La sensibilité du mode B (thermométrique) vis-à-vis de la température est linéaire : −25 ppm/°C.
80. Les éléments intégrés sont : la cellule oscillateur (type Pierce), les éléments chauffants (résistances en polysilicium), le capteur de température (sensibilité : 18mV/°C) ainsi que de l’ensemble du système de régulation thermique (amplificateurs...).
3.2.4 Bilan des performances
Pour finaliser la description des différentes structures OCXO miniatures présentés dans les para- graphes précédents, un bilan quantitatif est proposé dans le tableau 3.2. Ce tableau récapitule certaines performances des dispositifs réalisés d’un point de vue mécanique et électrique. Pour comparaison, nous avons décidé d’y ajouter un produit OCXO industriel de petite taille et de faible consommation fabriqué et commercialisé par Oscilloquartz SA [123].
DOCXO DHR - FERa OCXO 8622
[113] [117] [121] [122] [123]
Température [°C] [−20, 80] [−30, 70] [0, 75] [0, 85] [−40, 85] Résonateur
• Fréquence [MHz] 10 ND ND 159,3 10
• Coupe (SC) (SC-P3) (AT) (AT) (AT)
Alimentation 5 V 5 V 3,3 V ND 3,3 V ±5%
Consommation Température de référence : 25°C
• Transitoire 1,25 W ND 1,2 W ND ≤825 mW • Statique 500 mW 130 mW 303 mW ND ≤363 mW Temps de warm-up 90 s 30 s 190 s ND 60 s Stabilité • f/T ±3 ppb 50 ppb ±0,1 ppm 1,2 ppm ≤1 ppm • Court terme (1 s) ND ND ND ND ≤0,5 ppb Bruit de phase SSB [dBc/Hz] 1 Hz −90 ND ND ND −70 10 Hz ND ND ND ND −100 100 Hz ND ND ND ND −130 1 kHz ND ND ND ND −140 10 kHz −160 ND ND ND −145 Encombrement
• Boîtier ND DIP14 ND ND DIL
• Volume/Surface 5 cm3 2 cm3 5 mm2 7,2 mm2 2,1 cm3
a. Frame Enclosed Resonator (nom donné à la structure dans ladite référence)
TABLE3.2 – Performances d’OCXO miniatures tirés de la littérature : l’acronyme "ND" signifiant que
les informations correspondantes ne sont pas disponibles.
En tenant compte des contraintes mécaniques, électriques et thermiques liées à de l’intégration dans un ASIC, nous allons devoir établir un cahier des charges à partir d’une étude fonctionnelle préliminaire d’une structure de régulation en température.