FR2602055A1 - Capteur d'acceleration capacitif - Google Patents

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Abstract

CAPTEUR D'ACCELERATION CAPACITIF FABRIQUE PAR UNE TECHNOLOGIE MICROMECANIQUE ET UNE TECHNIQUE D'ATTAQUE CHIMIQUE. ON ACCROCHE A L'INTERIEUR DU CAPTEUR D'ACCELERATION 1 UNE PLAQUE D'ACCELERATION 2 COMPRENANT UN NOMBRE PAIR DE RUBANS FLEXIBLES 3 DISPOSES SYMETRIQUEMENT PAR RAPPORT AU PLAN MEDIAN ENTRE LES FACES SUPERIEURE ET INFERIEURE DE LA PLAQUE D'ACCELERATION 2, CETTE DERNIERE FORMANT LES ELECTRODES DE DEUX CONDENSATEURS A LAMES DONT LES ELECTRODES OPPOSEES 7 SONT APPLIQUEES SUR DES SURFACES SEPAREES DE LA PLAQUE D'ACCELERATION 2 PAR DES FENTES 6.

Description

CAPTEUR D'ACCELERATION CAPACITIF
L'invention se rapporte à un capteur d'accélération capacitif fabriqué par une technologie micromécanique
et une technique d'attaque chimique.
Un tel capteur d'accélération est connu par la demande de brevet allemanri,, 32 23 987. Ce capteur comporte un clapet qui est assujetti sur un support au moyen de deux fixations à torsion qui sont disposées symétriquement et dans le prolongement d'une arête du clapet. Une électrode, qui est appliquée sur une plaque prévue en dessous du clapet, O10 permet de déterminer l'accélération en mesurant la variation
correspondante de la capacité entre le clapet et l'électrode.
Un tel capteur produit une variation de capacité qui est une fonction relativement compliquée de l'accélération, attendu que l'entrefer entre le clapet et l'électrode ne
varie que de façon cunéiforme. Par ailleurs, avec cette fixation à torsion, il faut s'attendre à des sensibilités transversales relativement grandes. Du fait de la disposition, dissymétrique dans le sens vertical, du clapet, il n'y a en plus aucune protection suffisante contre la surcharge 20 du capteur.
Avec un capteur d'accélération du type précité, l'invention a pour objet d'améliorer la linéarité du signal de sortie, la sensibilité transversale et la protection contre les surcharges. Ce résultat est atteint selon l'inven5 tion par le fait qu'on accroche au centre à l'intérieur du capteur d'accélération, une plaque d'accélération, de préfé- rence rectangulaire, comprenant un nombre pair de rubans flexibles disposés symétriquement par rapport au plan médian entre les faces supérieure et inférieure de la plaque d'accé10 lération, soit la plaque d'accélération elle-même, soit des conducteurs appliqués sur ses surfaces, formant les électrodes de deux condensateurs à lames dont les électrodes opposées sont appliquées sur des surfaces-situées en regard qui sont
séparées de la plaque d'accélération par des fentes.
Du fait de l'agencement de la plaque d'accélération suspendue au centre à des rubans flexibles, le capteur d'accélération selon l'invention a une grande sensibilité qui ne peut pas être obtenue avec les capteurs connus, même avec les capteurs piézorésistifs. On obtient des variations 20 de capacité augmentant à peu près régiulièrement en fonction des accélérations appliquées, ce qui permet d'atteindre un
haut degré de protection contre les surcharges et par conséquent de réduire la possibilité d'un court-circuit.
La constitution parfaitement symétrique de la 25 structure garantit une position du point zéro très exactement définie. Par ailleurs, la sensibilité transversale est extrêmement faible grâce à la suspension bilatérale au moyen de quatre, de préférence huit, rubans flexibles. La disposition bilatérale des plaques de recouvrement rigides avec les 30 électrodes opposées garantit un haut degré de sécurité électrique.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description de modes de réalisation pris comme exemples,
mais non limitatifs, et illustrés par le dessin annexé, sur 35 lequel: la figure 1 est une coupe d'un premier mode de réalisation d'un capteur d'accélération; - la figure 2 est une vue en plan suivant les flèches IIII du capteur d'accélération selon la figure 1, la plaque de recouvrement supérieure étant enlevée; - la figure 3 est une coupe d'un deuxième mode de réalisation d'un capteur d'accélération; - la figure 4 est une coupe d'un troisième mode de réalisation
d'un capteur d'accélération.
Conformément aux figures 1 et 2, un capteur d'accélération 1 comprend une plaque d'accélération centrale 2 qui est accrochée à un cadre 4 au moyen d'un nombre pair de rubans flexibles 3, de préférence cependant de huit rubans flexibles 3. Partant des coins des faces supérieure et infé15 rieure de la plaque d'accélération 2, les rubans flexibles 3 s'étendent jusqu'au cadre 4 disposé à distance tout autour de la plaque d'accélération 2. Au-dessus et en dessous de la plaque d'accélération 2 et du cadre 4, réalisés de la même épaisseur, sont installées des plaques de recouvrement 20 5 qui sont respectivement posées sur le cadre 4. Les évidements 6, dans lesquels est respectivement appliqué un feuil métallique 7, sont pratiqués dans les plaques de recouvrement en face de la plaque d'accélération 2 et des rubans flexibles 3. Lorsque la plaque d'accélération 2, les rubans flexibles 25 3 et le cadre 4 sont réalisés monolithiques à partir d'un silicium monocristallin, les surfaces de la plaque d'accélération 2 peuvent constituer des électrodes et les feuils métalliques 7 dans les plaques de recouvrement 5 les autres électrodes de deux condensateurs à lames avec les évidements 6 servant de fentes entre les électrodes. Sous l'effet d'accélérations, les électrodes forment des capacités variables qui servent à mesurer l'accélération. Le contrôle des variations du courant sous l'effet des modifications des fentes 6 aux différentes accélérations s'effectue de façon connue, 35 par exemple par une bande 8 (figure 2) raccordée à la plaque d'accélération 2 et par les bandes 9 issues des feuils métalliques 7 disposés entre les plaques de recouvrement et le cadre 4 (figure 1). Pour l'amortissement du capteur 1, il existe deux possibilités. En ce qui concerne la première possibilité, par le canal 12 pratiqué dans la plaque de recouvrement supérieure 5, on peut évacuer l'air de l'espace interne constitué tout autour de la plaque d'accélération 2 par les fentes 6 et les cavités 11 et ce, jusqu'à une
pression résiduelle définie. La seconde possibilité consiste 10 à laisser le canal 12 ouvert en tant que canal d'air.
Pour la fabrication de ce mode de réalisation dans lequel la plaque d'accélération 2, les rubans flexibles 3 et le cadre 4 sont réalisés monolithiques à partir d'un substrat monocristallin, on utilise pour-le substrat un silicium de faible dopage et d'une orientation des monocristaux (100). Les rubans flexibles 3, qui ne doivent pas se situer parallèlement à un plan cristallin (111), doivent être munis d'un fort dopage en bore (< 7 x 1019 cm), afin de les rendre résistants aux attaques chimiques pour le processus de structuration consécutif. Cela peut être obtenu au moyen d'une couche épitaxiée dopée en conséquence, ou par implantation ionique ou diffusion. Aprés cela, on définit les contours du creux d'attaque par voie lithographique et on attaque chimiquement de façon anisotrope. Dans les plaques 25 de recouvrement 5 qui sont de préférence en verre, on creuse également les évidements 6 par attaque chimique, puis on dépose par évaporation sous vide les feuils métalliques 7 et les bandes 9. Pour finir, on fixe les plaques de recouvrement 5 sur le cadre 4 à l'aide d'une technique de raccor30 dement anodique par application d'une tension électrique
à température élevée.
Dans le mode de réalisation, représenté à la figure 3, d'un capteur d'accélération la, les rubans flexibles 3, réalisés à partir du substrat homogène, sont remplacés
par des bandes flexibles séparées 15 qui sont insérées entre la plaque d'accélération 2 et les plaques de recouvrement 5.
Les bandes flexibles 15, comme illustré ici, peuvent être constituées par un diélectrique, par exemple en Si3N4 ou en SiO2, recouvert d'un feuil métallique 16. Par ailleurs, les bandes flexibles 15 peuvent être directement déposées par évaporation ou appliquées sous la forme d'un feuil métallique ou une feuille métallique. Cette disposition présente l'avantage que les bandes flexibles 15 ou les feuils métalli10 ques 16 servant d'électrodes médianes des condensateurs,
peuvent être isolés diélectriquement par rapport au cadre 4.
Dans le mode de réalisation d'un capteur d'accélération lb selon la figure 4, la plaque d'accélération 2 et les rubans flexibles 3 sont de la largeur des fentes 6 15 plus minces que le cadre 4. Cette épaisseur réduite peut être obtenue sans difficulté en cas de fabrication à partir d'un substrat homogène. Cette disposition présente l'avantage que les plaques de recouvrement 5 ne doivent pas être
façonnées séparément.
Tous les trois modes de réalisation du capteur d'accélération 1, la et lb peuvent être utilisés directement en tant qu'émetteurs de signaux capacitifs avec lesquels
on dispose, en cas d'accélérations, de deux capacités variant en sens contraire. Par ailleurs, les deux capacités de mesure 25 peuvent être complétées par deux capacités rigides qui permettent une compensation de température des capacités de mesure entre le cadre 4 et les plaques de recouvrement 5.
Une autre possibilité de l'interprétation des signaux réside dans la fixation électrique de la plaque d'accélération 2, celle-ci pouvant être maintenue à sa position zéro par application d'une tension opposée. En pareil cas, on mesure la tension opposée se produisant lors d'une accélération. Avec cette installation de mesure, on peut
complètement compenser les excès de résonnance.
Les modes de réalisation représentés sur les figures constituent le type le plus courant du capteur d'accélération selon l'invention. Il rentre également dans le cadre de l'invention de disposer au moins deux rubans flexibles qui, au milieu d'un grand côté, raccordent les faces supérieure et inférieure de la plaque d'accélération et du cadre. Un autre mode de réalisation utilisable dans la pratique consiste à n'installer symétriquement que seulement sur un grand. côté de la plaque d'accélération quatre rubans flexibles qui raccordent ce grand côté aux faces supérieure et inférieure du cadre. Ce mode de réalisation convient pour des mesures particulièrement sensibles, par exemple pour mesurer l'inclinaison d'un objet par rapport au champ de gravitation de
la terre.

Claims (12)

REVENDICATIONS
1. Capteur d'accélération capacitif fabriqué par une technologie micromécanique et une technique d'attaque chimique, caractérisé par le fait qu'on accroche au centre à l'intérieur du capteur d'accélération (1, la, lb) une 5 plaque d'accélération (2), de préférence rectangulaire, comprenant un nombre pair de rubans flexibles (3, 15) disposés symétriquement par rapport au plan médian entre les faces supérieure et inférieure de la plaque d'accélération, soit la plaque d'accélération (2) elle-même, soit des conducteurs (15, 16), appliqués sur ses surfaces, formant les électrodes de deux condensateurs à lames, dont les électrodes opposées (7) sont appliquées sur des surfaces situées en regard qui sont séparées de la plaque d'accélération par
des fentes (6).
2. CaDteur d'accélération selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la plaque d'accélération (2), un cadre (4) ' entourant et les rubans flexibles (3,15) sont recouverts des deux côtés par des plaques de recouvrement (5) qui laissent subsister les fentes (6) et qui portent les 20 électrodes (7) sur leurs surfaces tournées du côté de la
plaque d'accélération.
3. Capteur d'accélération selon les revendications
1 et 2, caractérisé par le fait que la plaque d'accélération
(2), les rubans flexibles (3) et le cadre (4) sont réalisés 25 monolithiques à partir d'un substrat monocristallin.
4. Capteur d'accélération selon les revendications
1 et 2, caractérisé par le fait que seuls la plaque d'accélération (2) et le cadre (4) sont constitués par un substrat monocristallin et que des bandes flexibles séparées (15) sont insérées entre la plaque d'accélération et les plaques
de recouvrement.
5. Capteur d'accélération selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les bandes flexibles (15) sont
réalisées en un diélectrique revêtu d'une couche métallique (16).
6. Capteur d'accélération selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les bandes flexibles (15)
sont constituées par une feuille métallique.
7. Capteur d'accélération selon l'une quelconque
des revendications i à 6, caractérisé par le fait que les fentes (6) entre la plaque d'accélération (2) munie des
rubans flexibles (3) et les plaques de recouvrement (5) sont
réalisées par attaque chimique des plaques de recouvrement.
8. Capteur d'accélération selon l'une quelconque
des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les
fentes (6) entre la plaque d'accélération (2) munie des rubans flexibles (3) et les plaques de recouvrement (5) sont réalisées en réduisant l'épaisseur de la plaque d'accélération de la largeur de la fente par rapport au cadre (4). 15
9. Capteur d'accélération selon l'une quelconque
des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que les
fentes (6) et les cavités (11) entre la plaque d'accélération (2), les plaques de recouvrement (5) et le cadre (4) sont mises sous vide jusqu'à une pression résiduelle définie. 20
10. Capteur d'uccélération selon l'une quelconque
des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'un
canal d'air (12) partant des fentes (6) et des cavités (11)
entre la plaque d'accélération (2), les plaques de recouvrement (5) et le cadre (4) traverse une des plaques de recou25 vrement.
11. Capteur d'accélération selon l'une quelconque
des revendications i à 10, caractérisé par le fait qu'il
comporte quatre rubans flexibles (3) qui ne sont disposés symétriquement que sur un grand côté de la plaque d'accélé30 ration et relient ce grand côté aux faces supérieure et
inférieure du cadre (4).
12. Capteur d'accélération selon l'une quelconque
des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'il
comporte huit rubans flexibles (3) qui sont disposés symétri35 quement sur les coins de la plaque d'accélération (2) et
relient ses faces supérieure et inférieure au cadre (4).
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