FR2736723A1 - Accelerometre pendulaire a actionneur capacitif de test - Google Patents

Abstract

L'accéléromètre, utilisable comme détecteur de choc en automobile, a un capteur comprenant un boîtier et une masse sismique pendulaire dont un seul bord est relié au boîtier par une charnière permettant à la masse sismique de tourner autour d'un axe orthogonal à une direction de sensibilité. La charnière exerce un moment de rappel de la masse pendulaire vers une position d'équilibre. Quatre pistes résistives (22, 24) sont implantées sur la surface de la charnière, face à un capot du boîtier. Elles ont un tracé tel que la flexion de la charnière modifie la résistance de l'un des couples de piste dans un sens opposé à la résistance de l'autre couple de piste. Les pistes résistives sont montées dans un pont de Wheatstone relié à un appareil de mesure de la tension de déséquilibre. Des moyens sont prévus pour appliquer, entre la masse et le capot, une force d'attraction électrostatique en vue d'un test.

Description

ACCELEROMETRE PENDULAIRE A ACTIONNEUR CAPACITIF DE TEST
La présente invention concerne un accéléromètre pendulaire non asservi, ayant un capteur comprenant un boitier et une masse sismique pendulaire dont un seul bord est relié au boîtier par une charnière permettant à la masse sismique de tourner autour d'un axe orthogonal à une direction de sensibilité et qui exerce un moment de rappel de la masse pendulaire vers une position d'équilibre, du type dont la masse sismique, la charnière et un socle du boîtier constituent une pièce monobloc micro-usinée, généralement en silicium monocristallin. Le déplacement de la masse sismique provoqué par une accélération orientée suivant la direction sensible est généralement évalué par mesure de la capacité d'un condensateur formé par une électrode portée par la masse sismique et une électrode portée par le boîtier.Un inconvénient de cette solution est la non-linéarité de la relation entre le déplacement de la masse et la capacité et la nécessité de prévoir des moyens de mesure de capacité, moins bien maîtrisés que les moyens de mesure de résistance.

On connaît également (Henry V. Allen et al, "Accelerome- ter systems with self-testable features, sensors & actuators, 20 (1989) pp. 153-161, Elsevier Sequoia) un accéléromètre en matériau piézo-résistif comportant une masse sismique reliée à un socle de deux côtés par des charnières, muni de moyens de test périodique. Ces moyens comportent deux électrodes de test prévues face à face l'une sur un boîtier et l'autre sur la masse, reliées à des moyens permettant d'appliquer une tension entre les électrodes pour créer une force d'attraction de la masse mettant les charnières en flexion.

La présente invention vise notamment à fournir un accéléromètre pendulaire piézo-résistif miniature réalisable à un coût faible, étanche et autorisant un contrôle périodique de bon fonctionnement.

Dans ce but, l'invention propose un accéléromètre du type ci-dessus défini dont le capteur comporte au moins quatre pistes résistives implantées sur la surface de la charnière, face à un capot du boîtier, et ayant un tracé tel que la flexion de la charnière modifie la résistance de l'un des couples de pistes dans un sens opposé à la résistance de l'autre couple de pistes, en ce que les pistes résistives sont montées dans un pont de Wheatstone relié à un appareil de mesure de la tension de déséquilibre. Des moyens permettant d'exercer une force d'attraction électrostatique sur la masse sont prévues sur la masse et le capot.

En règle générale, la masse sismique pendulaire sera constituée par une plaquette micro-usinée dans un substrat de silicium monocristallin, de façon à créer un entrefer de faible dimension (habituellement de 1 à quelques microns) entre une portion du substrat qui constituera un fond ou socle et la masse sismique pendulaire. Les électrodes de test peuvent être constituées l'une par le capot lui-même, rendu conducteur, et l'autre par la masse pendulaire.

Pour faciliter l'usinage, il est souhaitable de donner la même épaisseur à la charnière et à la masse sismique.

Afin de réduire la résistance à la flexion de la charnière, cette dernière est alors fractionnée en plusieurs tronçons munis chacun d'une des pistes résistantes. Cette séparation favorise le découplage entre les pistes.

L'invention trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans la réalisation de détecteurs de choc prévus pour déclencher le gonflage de coussins d'air de protection (et notamment de coussins latéraux) dans des véhicules automobiles.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode avantageux de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, où l'échelle n'est pas respectée pour plus de clarté, et dans lesquels
- la figure 1 est une vue d'ensemble du capteur, avec son capot à gauche et sans son capot à droite
- la figure 2 est une vue à grande échelle montrant une répartition possible des pistes résistantes sur la charnière
- la figure 3 est une vue à grande échelle, en coupe suivant la ligne III-III de la figure 2.

Le capteur dont la constitution générale est montrée en figure 1 est constitué en silicium monocristallin. I1 peut être regardé comme comportant un boîtier contenant une masse sismique pendulaire et limitant ses débattements.

La masse sismique 10, le socle 12 du boîtier et une charnière reliant un seul côté de la masse sismique au socle sont d'une seule pièce. Des évidements 14 fractionnent la charnière en quatre tronçons 16a, 16b, 16c et 16d portant chacun une piste résistive respective. I1 sera généralement en silicium dopé n, par exemple par des atomes de phosphore.

Un capot 20 recouvre la masse sismique et la protège contre les agressions extérieures. Pour lui permettre de constituer une électrode, il est généralement en silicium fortement dopé n, de façon à avoir une résistivité inférieure à 1 Q/cm. Il est scellé, à laide d'une résine synthétique, sur le substrat, autour de la masse sismique jusqu'à l'emplacement indiqué par 21 sur la figure 1.

Dans le cas montré en figure 3, le substrat, de quelques centaines de microns d'épaisseur, à partir duquel sont réalisés le socle et la masse, présente une couche intermédiaire 18 d'oxyde de silicium de quelques microns d'épaisseur, absente sous la charnière et la masse sismique 10.

L'épaisseur de la couche d'oxyde éliminée définit le débattement de la masse sismique 10 vers le socle 12.

La piste résistive portée par chaque tronçon de charnière présente une forme sinueuse, ayant des barres parallèles longues reliées en série bout à bout. Les barres de deux des pistes 22 sont orientées parallèlement au tronçon de la charnière. Les barres des deux autres pistes 24 sont orientées orthogonalement à la charnière.

Dans le cas où le substrat est constitué en silicium monocristallin dopé, avec une orientation appropriée des axes cristallographiques (et notamment s'il est en silicium dopé n alors que les pistes sont constituées par dopage ) avec l'axe [1 -1 0] ou l'axe [1 1 0] parallèle aux tronçons 16a à 16d, la résistance varie par effet piézo-résistif de façon opposée pour les pistes 22 et 24, pour un même sens de flexion de la charnière.

Les pistes 22 et 24 se prolongent jusqu'à des plots 2 à 6 destinés à être reliés à un circuit extérieur de mesure.

Lorsque le substrat est en Si n, les pistes peuvent notamment être constituées par diffusion d'une impureté p (bore en général) à une concentration suffisante pour que la résistance au carré des pistes soit de quelques dizaines à quelques centaines d'Ohms/0.

Les pistes sont placées dans un pont de Wheatstone appartenant à un circuit de mesure, qui peut être du genre montré en figure 2. Chaque branche du pont comporte une piste 22 et une piste 24. La tension de déséquilibre V est appliquée à un amplificateur 26 muni d'une entrée 28 de commande de gain et d'une entrée 30 de correction de tension de décalage. Lorsque l'accéléromètre est utilisé comme détecteur de choc, ce qui est le cas d'un accéléromètre de commande pour un coussin latéral de protection, l'amplificateur est suive d'un filtre passe-haut 32 permettant d'écarter l'effet de dérive et d'éviter des déclenchements intempestifs. Enfin le signal filtré est appliqué, par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique-numérique 34, à un microprocesseur 36 capable de fournir le signal de gonflage et permettant également de commander périodiquement des tests, comme on le verra plus loin.

Le fractionnement de la charnière réduit les couplages électriques entre les pistes. Le couplage est encore réduit en prévoyant des anneaux de garde 38 autour de chaque piste.

Ces anneaux de garde sont tous portés à une tension constante, qui peut être la tension V d'alimentation du pont. Ces anneaux peuvent être constitués en Si n+, obtenu par implantation ou diffusion d'impuretés. Une couche isolante de nitrure ou d'oxyde de silicium est constituée aux croisements entre les anneaux de garde et les sorties, sauf aux croisements avec la sortie 5 de façon que les anneaux de garde soient portés à la tension V.

Le procédé de fabrication du capteur peut notamment être le suivant.

L'ensemble socle-masse sismique est réalisé à partir d'un substrat en Si n où la couche d'oxyde 18 est déjà enterrée. Des tranches de silicium de ce type sont à l'heure actuelle disponibles dans le commerce. La couche d'oxyde peut, suivant l'application, avoir une épaisseur allant de 0,4 à 3 um. La couche superficielle, destinée à constituer la masse sismique, a généralement une épaisseur d'environ 25 um obtenue par croissance épitaxiale à partir d'une épaisseur de 0,2 um. La partie destinée à constituer le socle peut, notamment avoir une épaisseur typique de l'ordre de 500 um. On supposera dans ce qui suit que le substrat a dès l'origine l'épaisseur requise.Le dopant p sera généralement constitué par du bore, du fait qu'il donne des caractéristiques piézo-résistives particulièrement favorables, dans le sens longitudinal de la charnière comme dans le sens transverse.

Au cours d'une première étape, on constitue les anneaux de garde 38 par implantation ou diffusion d'une impureté n (phosphore en général). Puis on réalise, par implantation ou diffusion d'impuretés p, les pistes résistives 22 et 24.

Souvent une densité d'implantation de 1018 à 1020 atomes/cm3 donne de bons résultats. Elle permet d'arriver à une résistance au carré des pistes d'environ 150 Ohm/O.

Une couche isolante 40, généralement en nitrure de silicium, est constituée à la surface du substrat, par exemple par dépôt en phase vapeur. Les ouvertures nécessaires à la réalisation des contacts avec les anneaux de garde et les pistes sont effectuées. Puis les raccordements avec les sorties 2 à 6 sont effectués, par dépôts successifs d'abord de conducteurs 42 en tungstène, qui adhére convenablement sur le nitrure, puis de conducteurs en or 44. Ces conducteurs peuvent être réalisés par dépôt, puis gravure.

On effectue ensuite une gravure anisotrope d'attaque de l'oxyde de silicium sous la masse, par découpe des bords de la masse sismique, puis infiltration de réactif sélectif.

Pour obtenir une gravure régulière, des trous 46 de faible dimension, par exemple de 25x25 um, peuvent être répartis à intervalles réguliers à travers la masse sismique 10.

Les capots sont réalisés séparément, par exemple par dépôt d'une couche mince 48 d'aluminium sur une tranche de
Si n+, formation de plots 50 de liaison avec un circuit de test, puis découpage. Chaque plot peut être constitué, comme les sorties 2 à 6, par une zone carrée d'environ 200 um de côté formée d'une couche de tungstène et une couche d'or.

A titre d'exemple de réalisation, on peut donner les caractéristiques suivantes à un capteur destiné à un système de commande de coussin de protection latéral, destiné à fournir un signal significatif jusqu'à des valeurs d'accélération d'environ 100g ou davantage avec une bande passante allant au moins jusqu'à 2000 Hz, et une fréquence propre très supérieure. La masse sismique est de forme carrée, avec un côté de 1500 um environ et une épaisseur d'environ 25 um, la charnière étant fractionnée en quatre tronçons de 50 um chacun de largeur. Le jeu au repos entre la masse sismique d'une part, le socle ou le capot d'autre part, peut être d'environ 400 nm. Les lames d'air ainsi délimitées de part et d'autre de la masse sismique assurent un amortissement, qui peut être réduit en perçant des trous à travers la masse sismique.La tension d'alimentation du pont sera généralement de 5 V. Le signal de déséquilibre est appliqué à un amplificateur ayant un gain permettant d'obtenir une tension de sortie maximum suffisante pour assurer un traitement satisfaisant du signal, en tenant compte de ce que AV pour la déflexion maximum ne dépasse généralement pas 10 mV. Un gain compris entre 100 et 200 donnera généralement de bons résultats.

Si la constitution du capteur est celle montrée en figure 3, le test de bon fonctionnement peut être réalisé en faisant passer le plot 50 de + 5 V à 0 V. On peut ainsi obtenir un signal de sortie de test correspondant à une fraction élevée du signal de sortie maximum en cas de choc.

La constitution montrée sur les figures 1 à 3 peut être obtenue par des procédés classiques de micro-gravure et/ou micro-usinage en mettant en oeuvre une séquence différente de celle qui a été donnée à titre d'exemple.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Accéléromètre pendulaire non asservi, ayant un capteur comprenant un boîtier et une masse sismique pendulaire (10) dont un seul bord est relié au boîtier par une charnière permettant à la masse sismique de tourner autour d'un axe orthogonal à une direction de sensibilité et qui exerce un moment de rappel de la masse pendulaire vers une position d'équilibre, la masse sismique (10), la charnière et un socle (12) du boîtier constituant une pièce monobloc micro-usinée,

caractérisé en ce que au moins quatre pistes résistives (22,24) sont implantées sur la surface de la charnière, face à un capot (20) du boîtier, avec un tracé tel que la flexion de la charnière modifie la résistance de l'un des couples de piste dans un sens opposé à la résistance de l'autre couple de piste, en ce que lesdites pistes résistives sont montées dans un pont de Wheatstone relié à un appareil de mesure de la tension de déséquilibre et en ce que des moyens sont prévus pour appliquer, entre la masse et le capot, une force d'attraction électrostatique en vue d'un test.

2. Accéléromètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les pistes résistives présentent une forme sinueuse ayant des barres parallèles longues reliées en série en bout, deux des pistes ayant des barres orientées parallèlement à la charnière et les autres ayant des barres orientées perpendiculairement à la charnière.

3. Accéléromètre suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les pistes sont constituées par dopage de sens opposé au dopage de ladite pièce.

4. Accéléromètre selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la masse sismique pendulaire et le substrat sont constitués en silicium dopé n.

5. Accéléromètre selon la revendication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte des anneaux de garde (38) portés à un potentiel constant commun, placés chacun autour d'une des pistes résistives.

6. Accéléromètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que les anneaux de garde sont constitués par du Si n+ dans un substrat en Si n.

7. Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la charnière est fractionnée en plusieurs tronçons (16a-16d) portant chacun une piste résistive.

8. Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capot est constitué en silicium ayant un dopage supérieur à celui de silicium constituant le substrat.

9. Accéléromètre selon la revendication 7, caractérisé en ce que le capot est recouvert d'une couche métallique (48) munie d'un plot (50) de liaison avec un circuit de test.