Contributuion à l'élaboration d'un oscillateur ultra-stable spatial miniature: études et réduction de la sensibilité thermique

• Auteur / Autrice : Luc Schneller
• Direction : Serge Galliou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (FEMTO-ST) (Besançon)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microélectronique

Oscillateurs à quartz

Systèmes embarqués (informatique)

Mots clés libres

Oscillateur Ultra-Stable

Quartz

Spatial

Miniature

Transferts thermiques

Dewar

Thermoélasticité

Thermomécanique

Eléments finis

Résumé

Le contexte spatial actuel, marqué par la volonté de disposer de toujours plus d'équipements à bord des satellites, impose une miniaturisation des systèmes embarqués. La conception d'un nouvel oscillateur spatial doit aujourd'hui prendre en compte cette exigence. Pour concevoir un futur Oscillateur Ultra- Stable (OUS) spatial miniature performant (présentant une stabilité relative de fréquence inférieure à quelques 10-13 sur la seconde), une meilleure compréhension des structures utilisées jusqu'à présent est nécessaire. Les travaux présentés portent principalement sur deux axes : l'analyse de la structure thermique de l'oscillateur et la mise au point d'un outil de simulation mécanique et thermomécanique spécifique. 1/ Analyse thermique : le besoin de régulation thermique nécessaire pour obtenir les performances visées a été défini. L'analyse de la pièce maîtresse de la structure thermique actuelle, un vase de Dewar, a ensuite été réalisée. Un modèle analytique du profil de température dans la paroi de ce dispositif a été obtenu en tenant compte des échanges thermiques par conduction et par rayonnement. Ce modèle permet d'optimiser les dimensions et les performances pour un dispositif plus petit. 2/Simulation mécanique et thermomécanique : la lame de quartz du résonateur donnant la fréquence de l'oscillateur est particulièrement sensible aux contraintes mécaniques. Il a été mis au point un outil de simulation de l'oscillateur permettant de calculer pour diverses perturbations extérieures, en particulier les variations de température, les variations relatives de fréquence qui en découlent. Cet outil a été utilisé sur l'OUS actuel de la société Rakon. Un facteur primordial à l'origine de la limitation actuelle de la sensibilité thermique a été mis en lumière. La solution proposée pour réduire l'effet de ce facteur a permis de réduire la sensibilité thermique de l'OUS actuel jusqu'à une valeur jamais atteinte à ce jour (≤ 3,2. 10-12 sur la gamme de –20 à +45°C).

The current space context is marked by the desire to have more and more equipment in satellites. This requirement imposes a miniaturisation of embedded systems. The design of a new space oscillator has to respect this condition. For conception of a future miniaturised space Ultra Stable Oscillator (USO) – with relative frequency stability as low as <5. 10-13 for a one second integration time– a better understanding of the type of fabrication is necessary. The focus is on two aspects: the analysis of the thermal structure of the oscillator, and the development of a specific tool for mechanical and thermo mechanical simulation. 1/ Thermal analysis: a definition of the level of thermal regulation necessary to reach the required performance has been made. Then an analysis of thermal structure's key piece -a Dewar vessel- was made. An analytic model of the temperature profile in the Dewar was obtained with thermal heat transfer due to conduction and radiation. With this model sizing and performance of a small oscillator can be optimized. 2/ Mechanical and thermo mechanical simulation: the quartz wafer of the resonators which gives the oscillators frequency is very sensitive to mechanical stresses. The oscillator simulation tool has been built to calculate the relative frequency variation due to exterior perturbation and particularly temperature variation. This tool was used with the USO manufactured by Rakon France. A critical factor of the temperature sensitivity has been discovered. The solution derived from the simulation analysis to reduce temperature sensitivity results in the lower thermal sensitivity of an USO, an achievement previously unobtainable ( ≤ 3,2. 10-12 on temperature from –20 to +45°C).