thumb|Montre à quartz ouverte côté fond. On distingue : le résonateur à quartz (canette métallique, à gauche), la pile bouton (à droite) et la bobine du moteur pas à pas (en bas).
Une montre à quartz ou montre électronique utilise un oscillateur électronique asservi par un résonateur en cristal de quartz. Cet oscillateur à cristal crée un signal temporel très précis, de sorte que les montres à quartz sont plus précises que les montres mécaniques.
Vocabulaire vignette|gauche|redresse=1| thumb|Schéma-bloc d'une montre à quartz à affichage mécanique.
On utilise de manière identique les termes montre à quartz et montre électronique, ce qui est correct dans la grande majorité des cas. Cependant on peut trouver : des montres électroniques sans quartz, comme la Dynotron. qui contient un résonateur mécanique (balancier - spiral), un transistor (donc électronique) et une bobine pour entretenir les oscillations ; des montres mécaniques utilisant du quartz pour réaliser le spiral Brevet, Résonateur balancier-spiral thermocompensé, T. Hessler & R. Dinger (2003), Asulab SA, EP1519250-B1. ; des montres électroniques connectées, aussi appelées « smartwatch ».
Le schéma bloc d'une montre à quartz est relativement simple. L'énergie provient d'une pile bouton qui alimente le circuit intégré (IC), le quartz et un système d'affichage, lequel utilise soit des éléments mobiles pour une montre à affichage mécanique, soit un écran pour une montre à affichage électronique. L'IC fait osciller le quartz à une fréquence précise et stable (32768 Hz), ce qui constitue la base de temps. Dans le cas d'une montre à affichage mécanique, l'IC envoie des impulsions à intervalles réguliers à un moteur pas-à-pas qui fait tourner un rouage auquel sont fixées des aiguilles ou des disques, qui indiquent les heures, les minutes et souvent les secondes.
Définitions pour l'affichage
On distingue deux types d'affichages : affichage analogique : affichage avec des aiguilles ; affichage numérique : affichage avec des chiffres ; affichage mixte : affichage avec des aiguilles ainsi que des chiffres.
On dispose de deux techniques : affichage mécanique : affichage avec des éléments mobiles. Cet affichage peut aussi bien être analogique (aiguilles) que numérique (chiffres sur disques, rubans, cubes…) ; affichage électronique : affichage segmenté ou matriciel (LCD, LED…). Cet affichage peut aussi bien être analogique (aiguilles imagées) que numérique (chiffres imagés).
Historique vignette|left|upright|Mouvement béta 21, issu du tout premier mouvement à quartz, nommé béta 1 et développé par le CEH. vignette|upright|Premier mouvement à quartz (calibre 35SQ) à être commercialisé dans la Seiko Astron, en 1969.
Au début du , les ingénieurs radio sont à la recherche d'une source de fréquence précise et stable. Ils commencent avec des résonateurs en acier. En parallèle, Paul Langevin utilise le quartz pour émettre et recevoir des ondes acoustiques (sonar), ce qui inspire Walter Guyton Cady et G. W. Pierce qui développent les premiers oscillateurs à quartz. Ceux-ci s'avèrent très stables même lorsque la température varie. Les résonateurs en acier disparaissent en quelques années. Plus tard, les chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) découvrent qu'une horloge contenant un oscillateur à quartz peut être bien plus précise qu'une horloge à pendule. De 1930 à 1960, les horloges à quartz ont la taille d'un four de cuisinière et constituent la référence de temps jusqu'à l'apparition des horloges atomiques.
Grâce à la miniaturisation de l'électronique et à l'amélioration des procédés de fabrication, les systèmes à quartz deviennent bientôt portables au poignet. Le développement des montres à quartz se fait en parallèle au Japon et en Suisse. C'est lors du concours international de chronométrie de 1967 que les premiers mouvements à quartz sont présentés au grand public.. Certains proviennent du Centre électronique horloger (CEH) et d'autres du centre de recherche et développement de Seiko. C'est une véritable révolution d'un point de vue chronométrique, ces mouvements sont déjà dix fois plus précis que les meilleures montres mécaniques de l'époque. Les dix premières places du concours sont remportées par le CEH. Ces mouvements contiennent un résonateur à quartz ayant la forme d'un barreau, un type de résonateur qui n'est plus du tout utilisé de nos jours.
La première montre-bracelet à quartz à être commercialisée est la Seiko 35SQ, sortie sur le marché en 1969. Commercialisée à 100 exemplaires avec un boîtier en or, elle coûte le prix d'une voiture. Les premières montres à quartz suisses, utilisant le mouvement beta 21, sont commercialisées à partir de 1970.
Durant les années 1970, l'introduction des circuits intégrés de type MOS a permis d'obtenir une autonomie de 12 mois à l'aide d'une simple pile bouton, que ce soit pour piloter un moteur pas à pas de type Lavet ou un affichage à cristaux liquides (LCD). Par contre, les affichages à diodes électroluminescentes (LED) ont été rapidement abandonnés à cause de leur consommation relativement élevée.
Pile bouton
Les piles boutons des montres électroniques sont soit à l'oxyde d'argent (), soit au lithium (). Leur capacité varie, selon la taille de la pile et les fonctions de la montre, entre 20 et . Naturellement, une montre chronographe possédant un quantième et un éclairage doit contenir une pile d'une capacité plus élevée qu'une montre à deux aiguilles pour avoir une autonomie (ou réserve de marche) équivalente.
La puissance nécessaire pour faire fonctionner une montre électronique à trois aiguilles est équivalente à celle d'une montre mécanique (typiquement ), toutefois la quantité d'énergie disponible dans une pile bouton est supérieure à celle d'un barillet, ce qui confère aux montres électroniques simples une autonomie plus grande (typiquement 3 ans contre 2 jours pour les montres mécaniques).
Circuit intégré (IC) thumb|Circuit intégré (IC) horloger. thumb|Oscillateur Pierce avec résonateur en quartz, amplificateur intégré et capacités de réglage.
Le circuit intégré des montres électroniques est réalisé en technologie CMOS avec une attention particulière portée à la puissance consommée qui doit être la plus faible possible (typiquement ). Une partie du circuit est consacrée à l'oscillateur. Cette partie comprend un amplificateur, qui, couplé avec le quartz externe et avec deux capacités, forme un oscillateur Pierce. Les capacités peuvent être incorporées au circuit intégré ou être externes. Elles permettent de régler la fréquence de l'oscillateur.
Une autre partie de l'IC comporte 15 étages divisant chacun par deux la fréquence de l'oscillateur. Cette fréquence passe ainsi de (2 puissance 15) à et est utilisée pour incrémenter les secondes.
Pour limiter la consommation, les impulsions envoyées au moteur peuvent être hachées et le taux de hachage peut être modifié en fonction de la charge du moteur. Sur la base du signe du courant traversant le moteur, l'IC détecte si un pas du moteur est réussi ou raté. S'il est raté, le pas est rattrapé et le taux de hachage est adapté pour que le pas se fasse correctement. Ensuite l'asservissement essaie de réduire à nouveau la consommation en diminuant le taux de hachage. Ceci se passe typiquement lors d'un passage de quantième (au changement de date), le rouage ayant besoin à ce moment de plus de couple.
Si la montre comporte un affichage électronique, la commande de l'affichage remplace celle du moteur.
L'IC peut également comprendre la commande de fonctions supplémentaires comme un chronographe ou un réveil.
L'IC peut également contenir le réglage de la marche par inhibition.
Quartz Le quartz monocristallin réunit trois caractéristiques qui le rendent très populaire en tant que résonateur pour bases de temps ou de fréquence : il s'agit d'un matériau piézoélectrique, sa résonance mécanique peut être excitée par un signal électrique ; il a des propriétés mécaniques qui, selon le choix de l'orientation du cristal, ont une très faible dépendance thermique ; sa gravure chimique est fortement anisotrope, ce qui permet de le « découper » chimiquement par procédés photolithographiques.
Propriétés du quartz Chimiquement, le quartz est composé de molécules de dioxyde de silicium (SiO2) qui sont arrangées dans une structure cristalline trigonale-trapézoédrique et qui ont des propriétés piézoélectriques. Lorsqu'une lame de quartz est soumise à des contraintes mécaniques telles que la flexion, elle accumule des charges électriques en surface. À l'inverse, si des charges électriques sont placées sur les faces de la lame de quartz, celle-ci va se plier. Ces effets piézoélectrique et piézoélectrique inverse peuvent être utilisés aussi bien dans des microphones ou des phonographes, où ce sont les vibrations mécaniques qui produisent un signal électrique, que dans des têtes d’imprimante à jet d'encre où un signal électrique produit des vibrations mécaniques.
Le quartz a un autre avantage important: selon l'orientation cristalline de la plaquette dans laquelle le résonateur sera fabriqué et selon le mode de vibration, ses coefficients thermomécaniques, notamment son coefficient thermoélastique (variation du module de Young avec la température) sont faibles et donc sa fréquence de résonance reste stable lorsque la température varie. Les diapasons sont fabriqués dans des plaquettes de quartz orientées selon une coupe appelée . Leur mode de vibration est la flexion. D'autres résonateurs ont été utilisés, par exemple avec une coupe ZT, qui correspond à une double rotation (en partant d'une coupe z, une première rotation autour de x d'un angle , puis d'une rotation de autour de z'). Le résonateur ZT fonctionne en allongement, sa fréquence de résonance est typiquement de . Citons encore la coupe AT, qui est très répandue pour réaliser des bases de fréquence entre quelques MHz et et qui utilise un mode de cisaillement.
Plongé dans une solution contenant de l'acide fluorhydrique le quartz se fait graver bien plus rapidement selon l'axe z que selon les autres directions. Le procédé de fabrication consiste à déposer des couches métalliques de Cr et d'Au, puis d'appliquer un photoresist (PR) pour enlever ces couches de manière localisée et ceci sur les deux faces des plaquettes. Les couches métalliques servent alors de masque pour la gravure chimique du quartz et peuvent être ensuite utilisées pour une partie des électrodes. Cette gravure chimique fortement anisotrope permet d'obtenir des flancs relativement droits. Des couches métalliques sont encore disposées sur les flancs des bras du diapason. Finalement, un ajustement de fréquence par ablation laser est réalisé sur le bout des bras.
Grâce aux propriétés ci-dessus, il est possible de fabriquer des résonateurs en forme de diapason, oscillant à environ 32 kHz, avec des propriétés chronométriques excellentes. Ces résonateurs sont encore encapsulés sous vide afin d'éviter les frottements dans l'air, ce qui augmente le facteur de qualité et diminue donc la puissance nécessaire pour maintenir les oscillations.
Le quartz horloger
thumb|Quartz horlogers.
Le circuit électronique d'une montre à quartz comporte un oscillateur, qui inclut un amplificateur, incorporé dans le circuit intégré, et un résonateur en quartz. Le résonateur agit comme un filtre électronique en éliminant toutes les fréquences, mise-à-part sa fréquence propre. Le signal à la sortie du résonateur est renvoyé à l'entrée de l'amplificateur, ce qui assure l’oscillation du circuit. Lorsque le circuit démarre, le bruit dans le circuit est suffisant pour amorcer l'oscillation à la fréquence souhaitée.