Thèse soutenue en 2016 - Domaine Temps-Fréquence

Résumé de la thèse

Cette thèse présente le travail effectué sur la conception d’un oscillateur à quartz miniature (volume visé de 1 cm3) contrôlé en température. Les équipements de télémétrie, tels que ceux utilisés dans les microsatellites (comme Myriades) sont d'un volume très important (8 L). Des équipements avec un volume 8 fois moindre (1 L) sont envisagés sur les pico et nano satellites. Une réduction drastique du volume et de la consommation est donc nécessaire, à performances égales. Elle nécessite une remise en question de l'ensemble des éléments composant l'équipement dont le micro-oscillateur, tant au niveau volume qu'au niveau consommation d’énergie. Les études préliminaires ont servi à définir le résonateur adapté pour satisfaire les spécifications de stabilité demandées. La simulation thermique d'un modèle d’oscillateur OCXO (Oven Controlled Xtal Oscillator) a permis d'obtenir une bonne compréhension des transferts de chaleur dans le dispositif. La réduction des pertes thermiques et l'augmentation de la stabilité thermique du résonateur étaient les principaux défis. La dilatation thermique du résonateur entraîne des contraintes mécaniques au niveau de ses fixations et décale la fréquence de résonance. Un MEMS en silicium a été conçu pour supporter le résonateur à l’aide de simulations thermomécaniques. Ce support est compatible avec les contraintes de faible consommation et de sensibilité thermique tout en gardant une bonne résistance aux chocs. En ce qui concerne l’électronique, une puce ASIC utilisée depuis plusieurs années a été caractérisée pour établir un modèle numérique. Cette étude a dévoilé les facteurs limitants des performances de l’ensemble et permis d’envisager des solutions correctives. En intégrant dans la démarche les coûts de fabrication, l’utilisation d’un ASIC a été écartée (au moins provisoirement) au profit d’une solution exploitant des composants électroniques du commerce. Enfin, un démonstrateur de module physique miniature a été monté et caractérisé. Les résultats de mesure montrent que la consommation du démonstrateur reste inférieure à la spécification demandée (50 mW à une température extérieure de 25 °C et à 100 mW pour –40 °C). L’importance de la participation du rayonnement dans les échanges thermiques a aussi été validée expérimentalement.

Mots clés

résonateur acoustique, quartz, OCXO oscillateur, bruit de phase, régulation en température, effet force-fréquence, modélisation thermomécanique, miniaturisation, oscillateurs à quartz, bruit de phase, microélectronique