Ceux qui innovent


Dans les salles blanches du CSEM

DOSSIER INNOVATION

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octobre 2020


Dans les salles blanches du CSEM

Au début des années 1980, au plus fort de la crise horlogère qui frappe alors la Suisse, trois instituts distincts, financés par les grands groupes horlogers d’alors, le Centre Electronique Horloger (CEH), la Fondation Suisse pour la Recherche en Microtechnique (FSRM), et le Laboratoire Suisse de Recherches Horlogères (LSRH), fusionnent sous la houlette de la Confédération pour devenir le Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique (CSEM). De grandes marques horlogères s’y associent et en deviennent également actionnaires. Aujourd’hui, ce centre de recherche est au coeur de l’innovation horlogère.

L

e paradoxe veut que la première montre à quartz au monde ait été développée en Suisse par un des partenaires du CSEM, le CEH (qui, dès 1967, a mis au point la fameuse Beta 1). Mais les Suisses, sans prescience, ont laissé passer l’occasion industrielle et se sont fait dépasser par les Japonais.

L’histoire ne se répétera pas, se dit-on alors, et une des tâches du CSEM est de mettre ses capacités de recherche au service direct de l’industrialisation horlogère et, au-delà, d’être «un véritable catalyseur pour le transfert de technologies et de savoir-faire entre science et économie».

Et de fait, au-delà de la seule horlogerie, le CSEM est aujourd’hui actif dans la micro-technologie au service notamment du spatial, du médical, de la machine-outil ou encore de l’automobile.

LA SAGA DU SILICIUM

Très impliqué dès le départ dans les montres électroniques, le CSEM a développé les premiers processeurs et, ce faisant, a acquis une expertise certaine dans l’utilisation du silicium. Il y a une vingtaine d’années déjà, l’idée a germé auprès de ses chercheurs de s’intéresser aux propriétés du silicium appliquées à l’horlogerie.

En développant des technologies spécifiques pour le spatial, entre autres, le CSEM s’est rendu compte que certaines des propriétés propres au silicium pourraient se révéler fort utiles à l’horlogerie mécanique: son élasticité sans déformation irréductible (autrement dit, sa mémoire de forme), sa robustesse, ses propriétés antimagnétiques.

En collaboration étroite avec un consortium de recherche regroupant Rolex, Patek Philippe et Swatch Group, un premier spiral en silicium a été développé, nécessitant au passage une innovation-phare qui a permis de rendre ce spiral en silicium insensible à la température (une condition sine qua non pour un spiral, comparable à celle de l’Invar pour l’acier).

En développant des technologies spécifiques pour le spatial, le CSEM s’est rendu compte que certaines des propriétés propres au silicium pourraient se révéler fort utiles à l’horlogerie mécanique.

Depuis cette première incursion dans le silicium au service de l’horlogerie, de nombreux développements ont vu le jour, ouvrant de nouvelles voies pour l’horlogerie mécanique, notamment dans la régulation. Une longue recherche, loin d’avoir encore dévoilé toutes ses potentialités.

Celles-ci vont bien au-delà de la seule conquête chronométrique, mais ouvrent également de nouvelles perspectives dans le domaine du design des mouvements et de la montre elle-même, dont, notamment, son affichage. On ainsi pu voir un prototype confidentiel qui présente une lecture de l’heure, simple, évidente, inédite et diablement poétique. Comme quoi, les recherches les plus arides peuvent aussi déboucher sur les objets les plus ludiques.

Ci-dessous, nous récapitulons quelques étapes de cette saga en progression continue.

2005
Patek Philippe, roue d’échappement en silicium

En 2005 Patek Philippe présente sa roue d’échappement en silicium. Un pas révolutionnaire pour la prestigieuse maison, garante par ailleurs de l’orthodoxie horlogère, qui intronise ainsi cette nouvelle technologie. Dans un mouvement à ancre traditionnel, 65% de l’énergie est dévorée par le mécanisme de l’échappement. La masse de la roue a donc une importance primordiale. Grâce à son extrême légèreté, combinée avec sa dureté et sa résistance à la corrosion, la roue d’ancre en silicium améliore considérablement la transmission de l’énergie au balancier. De plus, elle n’a plus besoin de lubrification.

Roue d'échappement en silicium
Roue d’échappement en silicium

2012
Vaucher Manufacture: Echappement Genequand

Les structures sur guidages flexibles sont particulièrement adaptées pour effectuer des mouvements précis sans frottement, sans utilisation de lubrifiant et sans usure. Convaincu que ces avantages pourraient être mis au service de la micromécanique de précision horlogère, Pierre Genequand, ancien physicien du CSEM, a élaboré un concept de régulateur mécanique horloger utilisant les structures flexibles tant au niveau de l’échappement que de l’oscillateur.

Le régulateur Genequand
Le régulateur Genequand

Le grand avantage de ce régulateur est d’abaisser drastiquement la consommation d’énergie d’un mouvement horloger. Le défi d’intégration d’une telle innovation à l’échelle de la montre a pu être relevé en combinant, tant au niveau de l’échappement que de l’oscillateur, l’utilisation du silicium et des pivots sur articulations flexibles exempts de tout frottement. Au final, le porteur d’un mouvement horloger basé sur ce régulateur n’aura besoin de remonter sa montre qu’une seule fois par mois.

2013
Girard-Perregaux: Echappement Constant

L’utilisation d’une lame flexible flambée en silicium de 14 microns, soit 6 fois plus fin qu’un cheveu humain, a permis à Girard-Perregaux d’intégrer un dispositif intermédiaire à l’échappement qui accumule de l’énergie jusqu’à un niveau constant, aux limites de l’instabilité, puis la retransmet dans son intégralité et instantanément avant de recommencer son cycle. Grâce à cette transmission constante de l’énergie à l’oscillateur, on atteint une amplitude et une marche constantes et donc une précision inégalée. Cette montre a reçu l’Aiguille d’Or du Grand Prix d’Horlogerie de Genève.

Echappement constant de Girard-Perregaux
Echappement constant de Girard-Perregaux

2017
Zenith Defy

En parvenant à réunir les quelques 31 composants d’un organe de régulation traditionnel dans un seul composant monolithique en silicium monocristallin de 0,5 mm d’épaisseur, la Defy ouvre une nouvelle voie à la régulation horlogère. Plus besoin d’assemblage, d’ajustements ni de lubrification. Insensible à la gravité, au magnétisme et à la température, le régulateur consomme une énergie bien moindre et reste imperturbable face aux variations énergétiques ou aux positions de la montre au porter. Selon Zenith, sa précision approche les 0.3 secondes par jour et reste constante durant 95% de sa réserve de marche.

Zenith Defy
Zenith Defy

LA SCIENCE DES SURFACES: DÉCORATION ET TRIBOLOGIE

Le contrôle structurel, chimique et physique des propriétés des surfaces est crucial pour leur utilisation pratique, car nombre de leurs propriétés, y compris en ce qui concerne leur esthétique, leur frottement, leur imperméabilité et leur corrosion, sont définies par leurs interfaces. Le CSEM développe des technologies avancées pour modifier la nanostructure et la composition chimique de diverses surfaces.

Dans les salles blanches du CSEM

Inspiré par les effets de couleur développés précédemment dans le cadre de la lutte contre la contrefaçon (billets de banque et passeports), le CSEM a appliqué ces technologies à l’horlogerie pour sa décoration et sa traçabilité. Les effets de couleur et les motifs décoratifs qui résultent des nanostructures uniques déposées par des procédés chimiques d’auto-assemblage sont impossibles à reproduire et peuvent être réglés en faisant varier les dimensions latérales et verticales des nanostructures. Les modifications de surface sont également étudiées pour améliorer les propriétés tribologiques en horlogerie et dans le médical.

WITSCHI: DES MONTRES MÉCANIQUES ULTRA PRÉCISES GRÂCE AU LASER

A mesure que les montres mécaniques évoluent et que les mouvements se font plus silencieux, les horlogers ont besoin d’instruments plus avancés pour effectuer le calibrage.

Alors que les horlogers les ajustent habituellement en écoutant leurs battements, Witschi a émis l’idée de mesurer ces oscillateurs «silencieux». Pour relever ce défi, les spécialistes du CSEM ont proposé d’ajouter un système de mesure optique novateur au microphone équipant déjà les appareils de contrôle de montres de Witschi.

«Nous recherchions la technologie la plus performante, la plus simple d’utilisation et la plus robuste pour réaliser des mesures optiques», déclare Daniel Hug, Responsable R&D chez Witschi. «Compte tenu de ses compétences de pointe en matière de laser, le choix de collaborer avec le CSEM s’est imposé naturellement.» Le WisioScope S, dont la commercialisation a démarré dès 2017, contrôle l’amplitude de l’oscillateur à l’aide de photodétecteurs qui mesurent le rayonnement d’un laser réfléchi par le balancier.

HORLOGE ATOMIQUE MINIATURE

Portera-ton un jour une montre-bracelet atomique? Nul ne le sait pour l’instant («ce serait très cher à produire, nous répond-t-on. Et après tout, en aurait-on besoin dans la vie quotidienne? »). Mais si l’on sort ainsi de l’horlogerie civile, on reste dans la mesure du temps, au niveau spatial. Les horloges atomiques miniatures pourraient être utiles en tant que «gardiennes du temps» au cours de missions interplanétaires (un peu comme l’horloge de marine pour les premières navigations intercontinentales).

L'atomic vapor cell est le composant principal, logé au coeur de la Miniature Atomic Clock. L'objectif est de parvenir à une épaisseur de 5 mm. Le CSEM maîtrise la fabrication et le contrôle des composants essentiels d'une telle miniature atomic clock. Parvenir à une échelle horlogère est encore un objectif à atteindre.
L’atomic vapor cell est le composant principal, logé au coeur de la Miniature Atomic Clock. L’objectif est de parvenir à une épaisseur de 5 mm. Le CSEM maîtrise la fabrication et le contrôle des composants essentiels d’une telle miniature atomic clock. Parvenir à une échelle horlogère est encore un objectif à atteindre.

Plus pragmatiquement, aujourd’hui, l’horloge atomique miniature trouve aujourd’hui ses principales applications dans l’instrumentation et les télécommunications. Le CSEM est pionnier au niveau international dans ce domaine particulier, y travaillant avec l’entreprise Oralia Switzerland SA, «leader mondial dans les technologies de solutions de positionnement».

WEAR-A-WATT, VERS L’AUTONOMIE ÉNERGÉTIQUE

Le CSEM a développé des cellules photovoltaïques de haute performance sur de très fins et souples films de silicium. Le but est de parvenir à une autonomie énergétique tout en offrant une esthétique compatible avec une horlogerie de luxe.

Concrètement, cette quête passe par la recherche de la meilleure intégration possible du photovoltaïque, et l’aménagement de surfaces actives et même colorées – mais qui deviennent totalement invisibles. Un des aboutissements de cette recherche est la dernière Tissot Connected, dont les surfaces sensibles et actives ne se voient absolument pas (lire notre article à ce sujet ici).

Un prototype du CSEM destiné à démontrer les qualités notamment de flexibilité de ses cellules solaires. Ici, elles figurent sur le bracelet.
Un prototype du CSEM destiné à démontrer les qualités notamment de flexibilité de ses cellules solaires. Ici, elles figurent sur le bracelet.

A noter que le CSEM est également leader dans le domaine des micro- processeurs à très faible consommation (qui permettent soit d’augmenter l’autonomie soit d’ajouter de nouvelles fonctions pour une charge identique).

BIOWAVE, À FLEUR DE VEINES

Le système de reconnaissance par réseau veineux se trouve logé dans la boucle. Prototype.
Le système de reconnaissance par réseau veineux se trouve logé dans la boucle. Prototype.

Autre champ de recherche, les technologies de sécurisation. Avec le projet BioWave, il s’agit d’utiliser les veines du poignet d’un porteur de montre (un réseau unique à chacun d’entre nous) à titre d’identification. La boucle du bracelet en est le vecteur (le système est donc adaptable à toutes les montres). Une fois le réseau de veines du propriétaire enregistré puis identifié, celui- ci peut avoir accès sans contact et de façon sécurisée à toutes sortes d’appareils (ordinateur, par exemple), de services (bancaires, médicaux, transport) ou de lieux (bureau, maison, voiture...).

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