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 Le spiral silicium ? pour / contre / indiférent

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Le Spiral silicium
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jean-michel
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jean-michel

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MessageSujet: Le spiral silicium ? pour / contre / indiférent   Le spiral silicium ? pour / contre / indiférent EmptyMer 3 Jan 2007 - 14:49

Technique toutjours : si nous parlions du spiral silicium ....
afin de cerner un peu cette nouvelle technologie deja utilisée sur certains garde temps (Patek, Breguet ...) voici un petit article de "Montre Passion" qui peut eventuellement etre interessant

alors le spiral en silicium : pour / contre / indiférent ? ....


Pour comprendre le développement de la recherche, un retour aux sources est indispensable. Et, quand les inventions sont importantes, beaucoup en revendiquent la paternité.
Claude Bourgeois

Le ressort fait partie de la vie des hommes depuis toujours. Pour réduire sa fatigue et décupler sa force, pour se nourrir et pour tuer, l’être humain a fait preuve d’ingéniosité. Du fusil à la flûte traversière, du jouet à la pince chirurgicale, le ressort est partout.
Galilée étudie le mouvement du pendule dès 1582, mais l’horloge à pendule qu’il dessine en 1602 n’est réalisée qu’après sa mort par Camerini à Rome en 1655. Au début du XVIIe siècle, Blaise Pascal est préoccupé par l’idée d’accoupler un ressort droit au balancier des horloges pour en régulariser les oscillations, mais l’invention en est attribuée à Hooke en 1658. En 1664, ce même Hooke énonce sa fameuse loi, base de l’élasticité: «Ut tensio sic vis» («telle contrainte, telle déformation»).
Les horloges étant difficilement transportables, les plus grands horlogers cherchent une solution en Angleterre, en France, en Suisse, tandis qu’en Italie l’inventif Galilée y songe et qu’en Hollande Peter van Brelog en rêve (une des origines possibles du terme «breloque»…). En 1675, Huygens (vingt ans après avoir découvert Titan, le satellite de Saturne) va lover le ressort droit en spirale d’Archimède et invente le spiral réglant accouplé à un balancier symétrisé par la même occasion. Le spiral devient la pièce maîtresse de la chronométrie mécanique. D’un point de vue technique, contrairement aux autres approches, la forme en spirale rend l’idée du ressort fort pratique en reportant le couple de rappel quasiment sur l’axe du balancier.
Le mardi matin 22 janvier 1675, Huygens se rend chez Thuret, horloger du roi Louis XIV. «Je lui fis faire le premier modelle que j’emportay avec moy estant demeuré jusqu’à 3 heures de l’après-midi sans disner.» Le lendemain, il présente son invention à l’assemblée de l’Académie de Paris et, le jeudi 31 janvier, il se rend chez Colbert, ministre du roi, qui le reçoit dans sa bibliothèque. Il l’entretient du privilège promis pour une telle invention. Colbert est embarrassé: conscients de l’importance de la découverte, d’autres le sollicitent pour la même cause. Hooke, l’abbé Jean de la Haute, Thuret, ils seront nombreux à en revendiquer la paternité et, à ce titre, ne cesseront dès lors de tourmenter Huygens par mille fâcheries et mensonges. Finalement, c’est à Huygens que Colbert octroie le privilège de prélever un louis d’or sur chaque montre équipée de son spiral. Mais ses adversaires s’acharnent, tant il est vrai que l’or est une convoitise sans égale. Toutes les foudres de la jalousie qui tombent sur lui rendent Huygens malade. Afin de s’écarter des ennuis et des discussions devant le Parlement, il renonce à son privilège financier. Tous les horlogers sont dès lors libres de faire des montres à spiral, sans s’acquitter du louis d’or!
Magnétisme et corrosion
Au XVIIIe siècle, des vaisseaux de fer ont remplacé progressivement dans la marine les vaisseaux de bois. Les aiguilles des boussoles se mettent à perdre le nord, et les chronomètres de marine à ressort spiral d’acier à battre quelque peu la chamade. Mais il est impératif de conserver l’heure à bord pour faire le point. Le problème est en partie réglé pour les compas en les maintenant fixes par rapport au bateau et en introduisant un facteur de correction. Cette méthode ne marche pas pour les chronomètres, beaucoup plus sensibles au magnétisme. A cela s’ajoute le problème de la corrosion lié aux nouvelles expéditions au long cours sous divers climats. La question est si sérieuse qu’on élimine presque totalement l’acier des chronomètres.
Toutes sortes d’alliages métalliques sont tentés pour rendre les spiraux amagnétiques et résistants à la corrosion: alliage or-acier par John Arnold et Breguet, abandonné à cause du
fort vieillissement, spiraux bimétalliques non ferreux et non magnétiques, spiraux en verre accouplés parfois à des balanciers de même matière.

déployé: Au sens strict, un vrai spiral Breguet de chez Breguet.
Le problème de l’isochronisme
En 1760, Pierre Le Roy observe la variation de la fréquence avec l’amplitude et fait mention du caractère non isochrone de l’oscillateur balancier spiral, fâcheux défaut.
En 1782, John Arnold donne une méthode empirique pour rendre le balancier spiral quasi isochrone en incurvant les extrémités du ressort, suivi en 1795 par Abraham-Louis Breguet qui développe un spiral doté d’une spire extérieure relevée et ramenée vers le centre, ce qui a pour effet d’annuler pratiquement toute force sur le pivot à l’exclusion du couple de rappel.
Ces méthodes sont démontrées théoriquement en 1861 par Edouard Philips (1821-1889), qui établit également les conditions générales d’isochronisme, et montre qu’elles ne peuvent pas être satisfaites totalement.
En 1881, la théorie est étendue aux spiraux coniques, sphériques et à divers autres, travail publié dans le Journal de l’Ecole polytechnique.
En 1878, M.D. Berlitz montre comment la condition d’isochronisme peut être réalisée par des variations judicieusement réparties de l’épaisseur et/ou de la largeur de la lame ressort, évitant ainsi l’inconvénient de la courbe Breguet qui sort du plan du spiral.
Cette solution est abandonnée, car elle est difficilement réalisable techniquement sur des spiraux métalliques. On notera en passant que l’homme avait plus d’une corde à son arc puisqu’il présente la même année une méthode d’apprentissage des langues qui porte toujours son nom.
Merci Guillaume
En 1897, Charles-Edouard Guillaume met au point un alliage fer-nickel présentant un coefficient de dilatation thermique très bas qu’il nomme «invar». En 1919, il améliore l’invar en rendant le coefficient thermique de la rigidité élastique également très bas, il le nomme «élinvar». L’élinvar (que beaucoup confondent avec l’invar) est encore le matériau le plus utilisé pour les spiraux en horlogerie. On le trouve actuellement sous différents noms commerciaux tels que Nivarox, Métélinvar, Isoval, etc. L’invar est lui encore incontournable pour tout ce qui est fortement sollicité thermiquement, de la microélectronique à l’aérospatiale. Guillaume reçoit le Prix Nobel en 1920 pour cette invention.
En 1930, S.P. Timoshenko à Stanford propose, dans Strength of Materials, une méthode élégante applicable au calcul de spiraux isotropes et isochrones. Vingt ans plus tard, Adrien Jaquerod, le fondateur du LSRH (Labratoire suisse de recherches horlogères) à Neuchâtel, se penche sur le caractère isochrone de la loi de Hooke appliquée au spiral. Il publie en 1951 une étude sur des spiraux en divers types de verre à faible vieillissement, en particulier les spiraux en quartz amorphe (oxyde de silicium). «Curieusement, écrit-il, ces derniers montraient un coefficient thermique fortement positif!» Au début des années 1990, apparaissent les premiers composants en forme de spirale dans des microstructures usinées dans des substrats en silicium monocristallin.
Au cœur de la recherche
En 2001, A. Perret avec A. Hoogerwerf du CSEM (Centre suisse d’électronique et de microtechnique de Neuchâtel), après discussion avec Ludwig Oechslin, conservateur du MIH (Musée international d’horlogerie), décident de réaliser des spiraux en silicium monocristallin selon un design défini par ce dernier et compatible avec un calibre existant. Ils utilisent la méthode de gravure profonde DRIE (Deep Reactive Ion Etching), procédé bien maîtrisé à l’époque par l’IMT (Institut de microtechnique de l’Université de Neuchâtel). Au terme de tests effectués par le MIH, il s’avère que ces spiraux présentent une forte dérive thermique négative de la rigidité élastique, dérive jugée incompatible avec une application horlogère. L’idée est alors abandonnée, la compensation thermique d’un tel spiral étant jugée irréaliste.
En 2002, actif dans le secteur RF & Piezo Components du CSEM, après avoir eu vent du problème thermique des spiraux en silicium, j’ai envisagé pour ma part une solution en suggérant la croissance d’un oxyde thermique amorphe à la surface des spiraux, l’oxyde de silicium (fused quartz) étant caractérisé par une dérive thermique de la rigidité fortement positive. L’utilisation de l’oxyde de silicium avait déjà été évoquée au sein du même groupe RF au CSEM avec M.A. Dubois pour compenser la dérive thermique de résonateurs micro-ondes de type SMR (Solidly Mounted Using Acoustic Mirrors Resonators) développés au CSEM. Ils souffraient du même problème thermique que les spiraux en silicium.
Pour s’assurer de la validité de la méthode et caractériser ces nouveaux types de spiraux, j’ai développé un outil de simulation adapté au comportement thermique de l’oscillateur balancier-spiral, tout en tenant compte de l’anisotropie du silicium. Cette simulation a été rendue possible grâce à la connaissance des propriétés thermiques de l’élasticité du silicium monocristallin et de l’oxyde de silicium avec une précision suffisante, ce qui avait déjà été réalisé jusqu’au troisième ordre thermique: pour le silicium dans un projet commun CSEM-IMT en 1994 (C. Bourgeois, E. Steinsland) et, en 2001 pour l’oxyde de silicium au CSEM (C. Bourgeois).
Le brevet est déposé en 2002. Le spiral en silicium monocristallin oxydé thermiquement est alors appelé «silinvar» par analogie avec l’alliage «élinvar».
Profitant des degrés de liberté offerts par la technologie, à savoir la variation locale de l’épaisseur et du pas du spiral, plusieurs designs de spiraux isochrones, inspirés par les développements de Berlitz il y a plus d’un siècle, sont également envisagés. Ces designs sont l’équivalent de la courbe Breguet des spiraux traditionnels, avec l’avantage de conserver le spiral sur un seul plan, compatible avec les calibres minces.
L’image du yogourt
Mais pourquoi l’élasticité de l’oxyde de silicium se comporte-t-elle thermiquement à l’inverse de la majorité des matériaux solides? Voilà qui est surprenant, donc intéressant. L’oxyde de silicium est un quartz amorphe, donc c’est un verre. Un verre n’est pas un cristal, c’est une sorte de liquide figé, dans lequel les atomes et les molécules sont distribués de manière désordonnée. Une sorte de yogourt, en plus dur évidemment.
La physique des verres comme celle des systèmes désordonnés n’a progressé que très récemment (voir S. Balibar, La pomme et l’atome). Elle nous apprend que l’état amorphe est souvent le siège de contraintes internes dans tous les sens, comme si les molécules essayaient de prendre les configurations périodiques les plus proches (en l’occurrence celles du quartz), tout en se heurtant à une barrière énergétique élevée. Les physiciens, qui aiment bien la métaphore, parlent de «frustrations». Il est possible que le signe positif de la dérive thermique de la rigidité de l’oxyde de silicium soit lié à la variation de son «état de frustration» avec la température. Cette hypothèse est actuellement investiguée.
Mais qui dit frustration dit évolution. Les verres vieillissent, ils ont une histoire, contrairement aux cristaux. Ce qui a poussé certains physiciens à prolonger la métaphore en citant Hegel: «Les peuples heureux n’ont pas d’histoire», sous-entendu les verres frustrés en ont une, c’est-à-dire que leurs propriétés physiques changent. Mais rassurons-nous, les spiraux en silicium oxydé ne vieilliront certainement pas plus vite que les vitraux des cathédrales.
C’est alors qu’un projet de développement est proposé à l’industrie horlogère, projet qui arrive dans un contexte déjà en effervescence depuis quelque temps autour du spiral. Plusieurs se montrent très sceptiques à l’égard d’une telle compensation thermique, d’autres enthousiastes, aucun spiral en silicium oxydé n’ayant encore été réalisé. La suite du projet est alors soutenue par Patek Philippe, Rolex et le groupe Swatch, ce qui a permis la réalisation des premiers spiraux oxydés de type silinvar.
Des avantages à foison
Leurs principaux avantages sont semblables aux structures MEMS en silicium (Micro Electro Mechanical Systems), à savoir la résistance à la corrosion et à la plupart des agents chimiques atmosphériques, l’amagnétisme, l’absence de déformations plastiques, le très faible vieillissement (pas de fatigue, faible sensibilité aux radiations), l’excellent coefficient de résilience (récupération des propriétés après les chocs), auxquels s’ajoutent l’isochronisme réalisé par variations locales d’épaisseur des spires et la compensation des dérives thermiques du balancier par simple ajustement de l’épaisseur d’oxyde du spiral.
Entre-temps, Ulysse Nardin a réalisé en 2002 un spiral en diamant artificiel par gravure profonde DRIE. Le spiral en diamant souffre du même problème thermique que le spiral en silicium, toutefois avec une intensité six fois plus faible. En 2004, G. Levingston proposait un ressort spiral en composite de carbone pour se soustraire au problème magnétique. Remarquons que le design de Ludwig Oechslin pour l’essai CSEM-MIH et celui du spiral en diamant d’Ulysse Nardin exploitent les mêmes degrés de liberté offerts par les nouvelles technologies de découpe. D’une part, elles permettent d’intégrer au spiral sa virole ainsi qu’un système de fixation à l’autre extrémité et, de plus, elles donnent la possibilité de faire varier l’épaisseur de la lame pour le réglage de l’isochronisme, comme l’a imaginé Berlitz en 1878.
En 2006, 331 ans après Huygens, 128 ans après Berlitz, 109 ans après l’élinvar de Guillaume, apparaissent ainsi sur le marché les premières montres équipées de spiraux en silicium oxydés de type silinvar, qui présentent a priori une stabilité et un comportement thermique très satisfaisants. Comme à l’époque de Louis XIV, conscients de l’importance de l’invention, nombreux sont ceux qui revendiquent une part de paternité. Les intérêts en jeu sont de poids, même si aujourd’hui il n’y a plus de louis d’or à la clé…
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Eric
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MessageSujet: Re: Le spiral silicium ? pour / contre / indiférent   Le spiral silicium ? pour / contre / indiférent EmptyMer 3 Jan 2007 - 15:40

J'ai répondu que je suis pour Impec

Un matériau insensible au champ magnétique. LA CLASSE !
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ZEN
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MessageSujet: Re: Le spiral silicium ? pour / contre / indiférent   Le spiral silicium ? pour / contre / indiférent EmptyMer 3 Jan 2007 - 15:50

Je suis curieux de tester ce que je n'ai pas fait. J'avais été très enthousiaste lors de la présentation du nouveau calibre Ulysse Nardin qui dfait sous une certaine forme appel à de nouvelles technologie et reste toujours curieux de les essayer. Ce ne serait pas aujourd'hui pour moi une motivatioin d'achat mais ce n'est pas rebutant non plus.

il est plus que probable que le futur calibre Omega de manufacture fasse appel à ces technologies... Là je voudrai aboslument voir.

Donc indifférent pour un achat aujourd'hui mais désireux de tester et prêt à me laisser convaincre car ça reste mécanique avec des matériaux d'aujourd'hui.

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MessageSujet: Re: Le spiral silicium ? pour / contre / indiférent   Le spiral silicium ? pour / contre / indiférent EmptyMer 3 Jan 2007 - 15:53

@ZEN a écrit:


il est plus que probable que le futur calibre Omega de manufacture fasse appel à ces technologies...

Arf tu es donc très surpris de mon sondage hein Zen Mr.Red

JM
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MessageSujet: Re: Le spiral silicium ? pour / contre / indiférent   Le spiral silicium ? pour / contre / indiférent EmptyJeu 4 Jan 2007 - 9:51

bon, j'ai bien tout lu le post de jean michel et je suis pour les spiraux en yaourth durci Smile

plus serieusement j'ai voté pour, la mecanique ne devant pas rester figée (dans le yaourth?) sinon à quoi bon se passioner pour les vintages si on peu avoir les meme en neuf?

H3
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