Miniaturisation des oscillateurs "OCXO" pour applications spatiales

Miniaturization of "OCXO" oscillators for space applications

• Auteur / Autrice : Nikolay Vorobyev
• Direction : Serge Galliou, Joël Imbaud, Thomas Baron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 29/11/2016
• Etablissement(s) : Besançon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon)
• Jury : Président / Présidente : Noël Dimarcq
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Serge Galliou, Joël Imbaud, Thomas Baron, Noël Dimarcq, Olivier Llopis, Nathalie Haese-Rolland, Gilles Cibiel, Yves Richard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Llopis, Nathalie Haese-Rolland

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microélectronique

Bruit de phase

Oscillateurs à quartz

Mots clés libres

Résonateur acoustique

Quartz

OCXO Oscillateur

Bruit de phase

Régulation en température

Effet force-fréquence

Modélisation thermomécanique

Miniaturiisation

Acoustic resonator

Quartz

OCXO Oscillateur

Phase noise

Thermal control

Force frequency effect

Thermomechanical modeling

Miniaturization

Résumé

Cette thèse présente le travail effectué sur la conception d’un oscillateur à quartz miniature (volume visé de 1 cm3) con-trôlé en température. Les équipements de télémétrie, poursuite et contrôle tels que ceux utilisés dans les microsatellites (comme Myriades) sont d'un volume très important (8 litres). Des équipements avec un volume 8 fois moindre (1 litre) 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 entraine 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 con-sommation 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 mesures 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.

This thesis presents the work on designing a miniature temperature controlled crystal oscillator (required volume is 1 cm3). TTC (Telemetry, Tracking and Control) equipment which is used in microsatellites (as Myriades) has a very important volume (8 liters). 8 times lower volume equipment (1 liter) is planned for pico and nano satellites. Therefore, a significant reduction of volume and consumption for equal performance is necessary. Redesign is required for all components of equipment items including micro-oscillator, as in volume as at the level of energy consumption. Preliminary studies have served to define the resonator adapted to satisfy the request stability specifications. Thermal simulation of an OCXO oscillator model (Oven Con-trolled Xtal Oscillator) has permitted to achieve a good understanding of heat transfer into the device. Reducing heat loss and increases the thermal stability of resonator were major challenges. Thermal expansion of the resonator causes mechanical stresses in its mountings and shifts the resonance frequency. A silicon MEMS has designed for supporting the resonator by using thermo-mechanical simulations. This support is compatible with the constraints of low consumption and heat sensitivity retaining good impact resistance. As regards electronics, an ASIC chip which is used during many years has characterized with the purpose to obtain the digital model. This study has revealed the limiting factors of the oscillator performance. Also it has allowed to provide remedial solutions. The ASIC using was rejected in favor of the solution operating with commercial electronic components (at least temporarily). Finally, a miniature demonstrator of physical module was assembled and characterized. The measuring results show that demonstrator consumption remains below the required specification (50 mW at outside temperature 25°C and 100 mW at -40 ° C). The importance of the participation of radiation within the thermal exchanges has also validated experimentally.