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Contexte

Le moyen le plus ancien de déterminer le temps consiste à observer la position du soleil dans le ciel. Lorsque le soleil est directement au-dessus de votre tête, il est environ midi. Un développement un peu plus tardif, et moins sujet au jugement d'un individu, est l'utilisation d'un cadran solaire. Pendant les heures de clarté, la lumière du soleil tombe sur un pôle vertical placé au centre d'un cadran calibré, projetant ainsi une ombre sur le cadran et fournissant au lecteur une lecture de l'heure relativement précise.

L'invention de l'horloge mécanique au XIVe siècle a été une avancée majeure - elle a fourni une méthode plus concise et cohérente de mesure du temps. L'horloge mécanique comprend une série compliquée de roues, d'engrenages et de leviers actionnés par un poids tombant et avec un pendule (ou plus tard un ressort enroulé). Ensemble, ces pièces déplaçaient la ou les mains sur un cadran pour indiquer l'heure. L'ajout de carillons ou de gongs à l'heure, à la demi-heure et au quart d'heure a suivi peu de temps après. Au XVIIIe siècle, des horloges plus petites pour la maison étaient disponibles et, contrairement à leurs prédécesseurs, étaient fermées et scellées dans un boîtier.

Plus la fabrication des pièces mobiles était exigeante, plus l'horloge était précise. De l'invention jusqu'au milieu du XXe siècle, les développements de l'horlogerie se sont concentrés sur le fonctionnement le plus précis possible des pièces mobiles. Les développements de la technologie des métaux et de la miniaturisation, la lubrification de petites pièces et l'utilisation de saphirs naturels d'abord (puis de saphirs artificiels) aux endroits les plus sollicités (le mouvement bijou) sont tous devenus des composants à part entière de la science horlogère. De petites montres de poche, peut-être de deux à trois pouces (cinq à sept centimètres) de diamètre, étaient disponibles à la fin du XIXe siècle. Les montres-bracelets mécaniques étaient un article de tous les jours aux États-Unis dans les années 1960. Et pourtant, le problème central auquel sont confrontés les horlogers et les horlogers reste le même :les pièces mécaniques s'usent, deviennent imprécises et cassent.

Dans les années qui ont immédiatement suivi la Seconde Guerre mondiale, l'intérêt pour la physique atomique a conduit au développement de l'horloge atomique. Les matières radioactives émettent des particules (décomposées) à un rythme connu et constant. Les pièces d'une horloge mécanique à cliquet pour garder l'heure pourraient être remplacées par un dispositif qui stimulait le mouvement de la montre chaque fois qu'une particule était émise par l'élément radioactif. Les horloges atomiques, d'ailleurs, sont toujours fabriquées et vendues, et elles sont toujours précises.

Avec le développement de la puce électronique dans les années 1970 et 1980, un nouveau type de montre a été inventé. Les montres-bracelets qui mélangeaient la technologie des micropuces avec des cristaux de quartz sont devenues la norme; il y a peu de montres-bracelets sans quartz fabriquées aujourd'hui. La puce électronique est utilisée pour envoyer des signaux au cadran de la montre sur une base continue. Parce qu'il ne s'agit pas d'un appareil mécanique avec des pièces mobiles, il ne s'use pas.

L'utilisation du quartz dans les montres fait appel à un type d'électricité connu depuis longtemps sous le nom de piézoélectricité. La piézoélectricité est le courant qui circule depuis ou à travers un morceau de quartz lorsque le quartz est mis sous pression électrique et/ou mécanique (piezo vient du verbe grec signifiant "presser"). Une montre à quartz utilise l'électricité d'un morceau de quartz soumis à l'électricité d'une pile envoyer Le cœur d'une montre à quartz est un minuscule éclat de quartz. Sous sa forme naturelle, le quartz est d'abord chargé dans une bouilloire géante ou un autoclave. Des graines ou de minuscules particules de quartz avec la structure cristalline souhaitée sont suspendues au sommet de l'autoclave. Un matériau alcalin est pompé dans le fond de l'autoclave et l'autoclave est chauffé à haute température, dissolvant le quartz dans le liquide alcalin chaud, l'évaporant et le déposant sur les graines. Après environ 75 jours, la chambre peut être ouverte et les cristaux de quartz nouvellement développés peuvent être retirés et coupés dans les bonnes proportions. une série régulière et dénombrable de signaux (oscillations) vers une ou plusieurs puces. (Les horloges murales électriques, en revanche, utilisent la régularité du courant mural pour garder une trace du temps.)

Les montres à quartz les plus précises sont celles dans lesquelles l'heure apparaît dans un affichage numérique à commande électronique, produit via une diode électroluminescente (LED) ou un affichage à cristaux liquides (LCD). Il est bien sûr possible que le microprocesseur envoie ses signaux à des dispositifs mécaniques qui font bouger les aiguilles sur le cadran de la montre, créant un affichage analogique. Mais parce que les aiguilles sont actionnées mécaniquement par une partie de la montre connue sous le nom de train d'engrenages, les montres analogiques ne sont généralement pas aussi précises que les numériques et sont sujettes à l'usure. Les deux types de montres atteignent une précision énorme, les montres numériques étant généralement précises à moins de trois secondes par mois.

Matières premières

Les montres électroniques utilisent bon nombre des matériaux les plus modernes disponibles, y compris les plastiques et les métaux alliés. Les boîtiers peuvent être en plastique ou en métal; les montres avec boîtier en métal comprennent souvent un acier inoxydable support. Les micropuces sont généralement constituées de silicium, tandis que les LED sont généralement constituées d'arséniure de gallium, de phosphure de gallium ou de phosphure d'arséniure de gallium. Les écrans LCD sont constitués de cristaux liquides pris en sandwich entre des morceaux de verre. Les contacts électriques entre les pièces sont généralement constitués d'une petite quantité d' or (ou sont plaqués or) ; l'or est un conducteur électrique presque idéal et peut être utilisé avec succès en très petites quantités.

Le processus de fabrication

Cette section se concentrera sur les montres numériques à quartz avec affichage à LED. Bien que l'assemblage de telles montres doive être effectué avec soin et méthode, les aspects les plus essentiels du processus de fabrication résident dans la fabrication des composants.

Quartz

• 1 Le cœur d'une montre à quartz est un minuscule éclat de quartz. Le quartz synthétique est coupé par le fabricant avec une scie à diamant et expédié à l'horloger pour être utilisé. La production de quartz « cultivé » est une étape critique du processus.

  Le quartz, sous sa forme naturelle, est d'abord chargé dans une bouilloire géante ou un autoclave (le même appareil utilisé par les médecins et les dentistes pour stériliser les instruments). Des graines ou de minuscules particules de quartz sont suspendues au sommet de l'autoclave Dans l'assemblage d'une montre, l'ensemble du cristal et des micropuces est placé sur une carte de circuit imprimé. Une batterie est également installée qui génère de l'électricité pour le cristal de quartz et alimente l'écran LED. avec la structure cristalline souhaitée. Un matériau alcalin est pompé dans le fond de l'autoclave, et l'autoclave est chauffé à une température d'environ 750 degrés Fahrenheit (400 degrés Celsius). Le quartz naturel se dissout dans le liquide alcalin chaud, s'évapore et se dépose sur les graines. Au fur et à mesure qu'il se dépose, il suit le modèle de la structure cristalline des graines. Après environ 75 jours, la chambre peut être ouverte et les cristaux de quartz nouvellement développés peuvent être retirés et coupés dans les bonnes proportions. Différents angles et épaisseurs dans la coupe conduisent à des taux d'oscillation prévisibles. Le taux d'oscillation souhaité pour le quartz utilisé dans les montres-bracelets est de 100 000 mégahertz ou 100 000 oscillations par seconde.

• 2 Pour fonctionner plus efficacement, le morceau de quartz doit être scellé dans une chambre à vide d'une sorte ou d'une autre. Le plus souvent, le quartz est placé dans une sorte de capsule, avec des fils attachés aux deux extrémités afin que la capsule puisse être soudée ou autrement connectée à une carte de circuit imprimé.

La puce électronique

• 3 Les fils électroniques générés par une batterie à travers le quartz (produisant des oscillations) iront à une micropuce qui sert de "circuit diviseur de fréquence". La fabrication des puces électroniques, comme le quartz, est également réalisée par le fournisseur de la manufacture horlogère. Un processus étendu et complexe, la fabrication de micropuces implique la gravure chimique et/ou par rayons X d'un circuit électronique microscopique sur un minuscule morceau de dioxyde de silicium.
• 4 Le taux d'oscillation d'environ 100 000 vibrations/seconde est réduit à 1 ou 60 ou à un autre nombre d'oscillations plus gérable. Le nouveau modèle d'oscillation est ensuite envoyé à une autre micropuce qui fonctionne comme un "compteur-décodeur-pilote". Cette puce va en fait compter les oscillations qu'elle reçoit. S'il y a soixante oscillations par seconde, la puce changera la lecture sur une LED toutes les secondes. Après 3 600 oscillations (60 x 60), le compteur indiquera à la LED de changer la lecture pour les minutes. Et, après 60 x 60 x 60 oscillations (216 000), le compteur changera la lecture des heures.

Assemblage

• 5 L'ensemble du cristal et des micropuces est placé sur un circuit imprimé. La carte intègre un espace pour contenir la batterie qui alimente en électricité le cristal de quartz et alimente l'écran LED. Généralement, l'espace pour la batterie est à l'extérieur de la surface faisant face à l'arrière du boîtier. La pile peut être remplacée en retirant le dos de la montre, en secouant l'ancienne et en insérant la nouvelle pile.
• 6 Le mécanisme utilisé pour le réglage de la montre est alors connecté. Ce mécanisme fait intervenir deux axes qui s'étendent au-delà du boîtier de la montre. Une broche permet au circuit du compteur de savoir quelle lecture réinitialiser :secondes, minutes ou heures. La deuxième broche est enfoncée un certain nombre de fois pour amener l'affichage à la lecture souhaitée.
• 7 L'ensemble du circuit imprimé, ainsi qu'une batterie, est ensuite enfermé dans un boîtier et une dragonne est attachée.

Fonctionnalités supplémentaires de la montre

Parce que les puces d'une montre à quartz sont capables de contenir de grandes quantités d'informations, il est possible, d'un point de vue technique, d'ajouter d'autres fonctions à une montre sans trop de difficultés. Un bouton-poussoir supplémentaire sur le boîtier connecté au circuit du compteur peut fournir des alarmes, des informations sur les marées, etc. La micropuce peut tout aussi bien être programmée pour avancer ou reculer la montre d'un montant défini en appuyant sur un bouton, de sorte qu'un propriétaire puisse déterminer l'heure dans un autre fuseau horaire, ou peut-être avoir deux, trois ou plusieurs fuseaux horaires. affichés successivement.

Contrôle qualité

Tous les composants des montres électroniques sont fabriqués sous un système strict de contrôle de qualité. Les cristaux de quartz, par exemple, font tester leurs fréquences avant d'être utilisés dans une montre. Les puces électroniques doivent être fabriquées dans un environnement de "salle blanche" avec de l'air spécialement filtré, car même les plus petites particules de poussière peuvent rendre une puce inutile. Les puces électroniques sont examinées attentivement et sont également testées au banc pour leur précision avant utilisation.

Une fois qu'une montre est fabriquée, elle est à nouveau testée avant d'être expédiée sur le marché. En plus de sa précision de chronométrage, il est également soumis à un test de chute dans lequel il doit continuer à fonctionner correctement après avoir été échappé et avoir subi d'autres abus ; un test de température ; et un test d'eau. Alors qu'un horloger peut, avec des tests et des preuves appropriés, prétendre qu'une montre est "résistante à l'eau" selon certaines spécifications connues, il est inexact de dire qu'une montre est "étanche car sans spécification particulière cette désignation n'a pas de sens.

Les grandes entreprises horlogères fabriquent tous leurs propres composants, garantissant que les normes de qualité des produits sont en place dès le début du processus de fabrication.

Le futur

Parce que les montres électroniques d'aujourd'hui sont si précises de par leur conception, la précision n'est pas le seul objectif visé par un fabricant de montres. Les futures évolutions du produit tireront parti d'autres technologies issues d'autres domaines comme l'ajout d'une fonction calculatrice à une montre, ou encore l'ajout d'un émetteur radio capable d'envoyer un signal traçable en cas de perte ou de problème.