FR2932891B1 - Capteur micromecanique d'acceleration ayant une masse sismique ouverte - Google Patents

Capteur micromecanique d'acceleration ayant une masse sismique ouverte Download PDF

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Abstract

Capteur d'accélération (1) comportant un substrat (11), une suspension (2, 3) une masse sismique (12) et des électrodes capacitives fixes (8). La masse sismique (12) est suspendue par l'intermédiaire de la suspension (2, 3) au-dessus du substrat (11). Elle a un centre de gravité massique (6), et la suspension comporte deux ancrages (4, 5) qui fixent un axe central (7). Les deux ancrages (4, 5) sont sur des côtés opposés au centre de gravité (6) et la distance des deux ancrages (4, 5) est petite par rapport à l'extension horizontale de la masse sismique (12) qui comporte des dégagements (9) sur des côtés opposés de l'axe central (7), dans lesquels pénètrent les électrodes fixes (8).

Description

Domaine de l’invention
La présente invention concerne un capteur micromécanique d’accélération ayant un substrat, une suspension, une masse sismique et des électrodes capacitives fixes.
Un tel capteur d’accélération est décrit dans le document DE 102008001863 non publié antérieurement. Dans cette réalisation les électrodes fixes sont entourées par la masse sismique.
Etat de la technique D’autres capteurs micromécaniques d’accélération sont décrits dans le document EP 1626283 Al et dans le document DE 60311281 T2.
Un principe de base des capteurs d’accélération consiste à monter une masse sismique à l’aide d’une suspension sur un substrat, de façon mobile par rapport à des électrodes fixes. Les tensions mécaniques entre le substrat et la suspension ou la masse sismique peuvent engendrer une dilatation thermique différente et/ou des contraintes entre le substrat, les électrodes fixes et la masse sismique par rapport aux électrodes mobiles. Cela risque de détériorer les propriétés mécaniques et électriques du capteur d’accélération.
But de l’invention
La présente invention a pour but de développer un capteur d’accélération insensible vis-à-vis des contraintes mécaniques et des coefficients de dilatation thermique différents liés aux différents matériaux.
Exposé et avantages de l’invention A cet effet l’invention concerne un capteur micromécanique d’accélération du type défini ci-dessus caractérisé en ce que : - la masse sismique est suspendue par l’intermédiaire de la suspension au-dessus du substrat, - la masse sismique a un centre de gravité massique, - la suspension comporte au moins deux ancrages au substrat, - les deux ancrages fixent un axe central, - les deux ancrages sont prévus sur des côtés opposés au centre de gravité et la distance des deux ancrages est petite par rapport à l’extension horizontale de la masse sismique le long de l’axe central, - la masse sismique comporte des dégagements sur des côtés opposés de l’axe central et ouverts latéralement vers l’extérieur sur les côtés opposés à l’axe central, et - les électrodes fixes pénètrent au moins dans les dégagements de la masse sismique.
En d’autres termes, la masse sismique est ancrée au substrat à proximité du centre de gravité massique (ou plus simplement le centre de gravité) de la masse sismique et les électrodes mobiles sont prévues sur le côté extérieur de la masse sismique. Cela permet d’avoir une structure stable pour la masse sismique, insensible aux contraintes.
Selon un développement, la masse sismique comporte deux entretoises parallèles reliées l’une à l’autre par l’intermédiaire d’une entretoise massique et cette entretoise massique passe par le centre de gravité massique de la masse sismique.
Un développement avantageux de l’invention prévoit que la masse sismique présente deux structures de peigne qui représentent les électrodes mobiles et associées aux électrodes fixes.
Selon un autre développement, la suspension est réalisée sous la forme de poutre de liaison installée le long de l’axe central et reliée respectivement à la masse sismique par un élément de ressort. De cette manière, on permet d’une part la réalisation d’un ancrage central de la masse sismique à proximité du centre de gravité de la masse sismique et d’autre part une fixation élastique à une distance relativement importante par rapport au centre de gravité massique, ce qui améliore les caractéristiques mécaniques et électriques du capteur d’accélération.
Selon un développement, la suspension comporte un élément de ressort en forme S ou en forme de U ou encore un élément de ressort plié. En particulier chaque poutre de liaison peut avoir deux éléments de ressort en forme de U installés symétriquement par rapport à l’axe central, ce qui permet de réaliser une suspension peu encombrante de la masse sismique.
Selon un autre développement, les deux entretoises de la masse sismique installées parallèlement à l’axe central sont reliées res pectivement dans une zone d’extrémité, l’une à l’autre chaque fois par une autre entre toise massique. On réalise de cette manière une structure rigide en torsion. L’autre entretoise massique peut être par exemple réalisée sous la forme d’un élément annulaire polygonal ouvert. De façon avantageuse l’autre entretoise massique comporte l’élément de ressort respectif. Il en résulte une structure compacte.
Selon un autre développement, les électrodes fixes proches de l’axe central, notamment proches du centre de gravité de la masse sismique sont reliées au substrat. Ainsi les électrodes distinctes, fixes peuvent par exemple être reliées séparément par un ancrage au substrat.
Selon un autre développement, plusieurs électrodes fixes sont reliées à une troisième et à une quatrième autre poutre de liaison et ces poutres se trouvent à côté de la zone marginale à l’extérieur de la masse sismique. La troisième ou la quatrième poutre de liaison est conduite par une première ou une seconde autre poutre de liaison dans la direction de l’axe central et au niveau d’une extrémité, la première ou la seconde autre poutre de liaison relie la troisième ou la quatrième autre poutre de liaison ; en regard et à proximité de l’axe central elle est reliée au substrat. Cela permet une fixation centrale de plusieurs électrodes fixes à proximité du centre de gravité massique.
Selon un autre développement, la masse sismique entoure la suspension de la masse sismique.
Dessins
La présente invention sera décrite ci-après de manière détaillée à l’aide de deux exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un premier exemple de réalisation d’un capteur d’accélération, - la figure 2 montre un second exemple de réalisation d’un capteur d’accélération.
Description de modes de réalisation de l’invention
La figure 1 montre un capteur d’accélération 1 ayant un substrat 11, une masse sismique 12 et des suspensions 2, 3. Les suspensions ont un ancrage, une autre poutre de liaison et un élément de ressort. La masse sismique 12 a un centre de gravité massique 6 (ou plus simplement un centre de gravité). La masse sismique 12 présente pour l’essentiel deux entretoises 13, 15 parallèles ; ces entretoises sont également parallèles à l’axe central 7. Les deux entretoises 13, 14 sont reliées l’une à l’autre par l’intermédiaire d’une entretoise massique 10. L’entretoise massique 10 est pratiquement perpendiculaire à l’axe central 7 et elle passe par le centre de gravité 6. L’entretoise et l’entretoise massique sont de préférence réalisées en une seule pièce dans la même matière. Selon la forme de réalisation choisie, on peut supprimer l’entretoise massique 10. Les extrémités respectives des entretoises 13, 14 sont reliées par une autre entretoise massique 21, 22. Les autres entretoises massiques 21, 22 de l’exemple de réalisation présenté, ont une structure annulaire ouverte de forme rectangulaire. Les autres premières et secondes entretoises massiques 21, 22 sont symétriques planes par rapport à l’axe central 7. On obtient ainsi une masse sismique mécaniquement stable ayant des parties massiques importantes à une distance relativement grande d’un ancrage 4, 5 de la masse sismique sur le substrat 11.
Deux ancrages 4, 5 sont prévus pour relier le substrat 11 à une première ou à une seconde poutre de liaison 17, 18 ; les ancrages 4, 5 sont symétriques sur les côtés opposés par rapport au centre de gravité 6 et suivant l’axe central 7. La distance entre les ancrages 4, 5 et le centre de gravité 6 sont petites par comparaison à l’extension de la masse sismique le long de l’axe central 7. En particulier les distances sont inférieures à 20 % et notamment inférieures à 10 % de la longueur de la masse sismique suivant l’axe central 7. Les poutres de liaison 17, 18 sont prévues le long de l’axe central 7 et arrivent jusque dans la zone d’extrémité des entretoises 13, 14. Au niveau des extrémités des poutres de liaison 17, 18, à l’opposé des ancrages 4, 5, on a réalisé un élément de ressort 19, 20 respectif qui relie chaque fois l’autre première et l’autre seconde entretoise massique 21, 22 à la première ou à la seconde poutre de liaison 17, 18.
Dans le mode de réalisation représenté des éléments de ressort 19, 20, les extrémités des poutres de liaison 17, 18 sont reliées par les éléments de ressort 19, 20 à un point de raccordement de l’autre première et seconde entretoise massique 21, 22 ; ces entretoises sont le long de l’axe central 7 et en regard des extrémités des poutres de liaison 17, 18. Dans le mode de réalisation présenté, les éléments de ressort 19, 20 sont réalisés sous la forme de deux ressorts en U dont les branches longues de cette forme en U sont parallèles et toutes deux perpendiculaires à l’axe central 7. Les branches courtes sont dans le côté extérieur opposé à l’axe central 7.
Dans l’exemple de réalisation présenté, un élément de ressort 19, 20 comporte chaque fois deux ressorts. Un élément de ressort peut toutefois se limiter à un seul ressort. De plus l’un ou les deux ressorts peuvent avoir une forme de S, une forme de U ou une forme de ressort plié.
La première et la seconde poutre de liaison 17, 18 peuvent être logées dans un plan comme la masse sismique 12 notamment les entretoises 13, 14 et l’entretoise massique 10. De plus les éléments de ressort 19, 20 peuvent se trouver dans un plan comme la masse sismique 12 notamment comme l’autre entretoise massique 21, 22.
La masse sismique 12 comporte deux cavités 9 sous la forme de fentes allongées et ouvertes latéralement dans la zone marginale extérieure. Les cavités 9 sont délimitées par les dents 30 de la masse sismique 12. Dans la forme de réalisation présentée, sur les côtés opposés à l’axe central 7, on a deux structures en forme de peigne 15, 16 réalisées avec des dents 30 dans la masse sismique 12. Chacune des dents 30 est reliée à la première ou à la seconde entre toise 13, 14 et constitue une électrode mobile. Les cavités 9 de la structure en peigne 15, 16 ont chacune au moins une électrode fixe 8.
Dans l’exemple de réalisation présenté, au niveau des côtés opposés d’une dent 30 on a chaque fois une électrode fixe 8. Les électrodes fixes 8 se présentent sous la forme d’entretoises parallèles aux dents 30 et ainsi perpendiculaires à l’axe central 7. Les électrodes fixes 8 sont reliées par d’autres points d’ancrage 32 au substrat 11 ; les autres points d’ancrage 32 sont prévus dans les zones d’extrémités des entretoises réalisées à proximité de la première ou de la seconde entretoise 13, 14. De cette manière on réalise une fixation des électrodes fixes 8 à proximité de l’axe central 7 et ainsi à proximité du centre de gravité 6.
La masse sismique 12, les dents 30 et les électrodes fixes 8 peuvent être perforées, c’est-à-dire comporter une répartition régulière de trous traversants. La perforation permet à un milieu de gravure au cours de la fabrication du capteur d’accélération et pendant le procédé de gravure, de traverser une couche sacrificielle située en dessous de sorte que la masse sismique 12 et l’électrode capacitive mobile peuvent être séparées efficacement du substrat 11. Les électrodes fixes peuvent également être perforées.
Le capteur d’accélération 1 peut être réalisé par exemple à partir de matériaux semi-conducteurs, de métaux et/ou de matières plastiques. Dans l’exemple de réalisation présenté à une électrode mobile constituée par une dent 30 est associée une électrode fixe 8 aux deux grands côtés opposés. L’électrode mobile 30 et l’électrode fixe 8 constituent en combinaison un condensateur différentiel. Lors du débattement de l’électrode mobile 30, la capacité augmente d’un côté et elle diminue de l’autre côté de la paire d’électrodes respectives formée par l’électrode mobile 30 et l’électrode fixe 8 chaque fois associée. La variation de capacité est une mesure de l’accélération subie. Les électrodes fixes 8 peuvent être reliées par quatre réseaux de chemins conducteurs ; chaque fois un réseau est prévu pour les premières électrodes fixes et un autre réseau, pour les secondes électrodes fixes qui sont associées aux électrodes mobiles de la première structure en forme de peigne 15. De façon correspondante deux réseaux de chemins conducteurs sont prévus pour les électrodes fixes de la seconde structure en peigne 16. Les liaisons électriques sont reliées au substrat 11 par les ancrages mécaniques.
Dans l’exemple de réalisation représenté, les quatre autres ancrages 32 qui relient les électrodes fixes juxtaposées au substrat 11, sont décalées latéralement les unes par rapport aux autres dans la direction perpendiculaire à l’axe central 7. Cela permet une fabrication plus simple avec plus de place pour les autres ancrages respectifs 32.
En fonction de la forme de réalisation choisie, les électrodes fixes se terminent dans la même zone d’extrémité latérale extérieure que les dents 30 des structures en forme de peigne 15, 16 de la masse sismique 12. De manière préférentielle, la première et la seconde autre entretoise massique 21, 22 définissent une zone marginale latérale dans laquelle se terminent également les électrodes fixes 8 et les dents 30. Ainsi les structures en forme de peigne 15, 16 et les électrodes fixes 8 sont prévues sur les côtés limites, opposés, perpendiculaires à l’axe central 7 en étant délimitées par l’autre première entretoise massique 21 et l’autre seconde entretoise 22 qui les couvrent. Ainsi le capteur micromécanique d’accélération présente globalement une forme rectangulaire et des structures en forme de peigne le long des grands côtés et les autres entretoises massiques 21, 22 le long des petits côtés transversaux.
La figure 2 montre un autre mode de réalisation dans lequel la suspension 2, 3 de la masse sismique 12 et les structures en forme de peigne 15, 16 sont réalisées comme dans le mode de réalisation de la figure 1. En fonction du mode de réalisation prévu on peut avoir moins de dents 30 pour les deux structures en forme de peigne 15, 16 ou au moins une cavité au niveau de l’entretoise massique 10 dans les structures en forme de peigne.
La forme de réalisation des électrodes fixes 8 est différente de la forme de réalisation de ces électrodes à la figure 1. Les électrodes fixes 8 d’une structure en forme de peigne 15, 16 sont dirigées respectivement vers l’extérieur vers une zone marginale de la masse sismique et elles arrivent ainsi sur la structure en peigne des électrodes mobiles 30. De façon adjacente à la structure en forme de peigne 15 des électrodes mobiles 30 on a à chaque fois une troisième et une quatrième autre poutre de liaison 23, 24. Ces poutres sont parallèles à l’axe central 7. Les électrodes fixes 8 d’une structure en forme de peigne sont reliées à la troisième et quatrième autre poutre de liaison respective 23, 24. La troisième ou quatrième autre poutre de liaison respective 23, 24 sont reliées respectivement à une première ou une seconde autre poutre de liaison 25, 26 pénétrant dans la structure en forme de peigne respective et s’étendant en direction de l’entretoise massique 10. Dans un mode de réalisation, la première et la seconde autre poutre de liaison 25, 26 sont prévues sur un axe avec l’entretoise massique 10. A proxi mité de l’entretoise massique 10, la première et la seconde autre poutre de liaison 25, 26 sont respectivement reliées au substrat 11 par un autre point de liaison 33. De cette manière deux autres structures en forme de peigne sont prévues pour les électrodes fixes ; ces structures sont reliées à proximité du centre massique 6 de la masse sismique 12 avec le substrat 11.
Dans ce mode de réalisation une électrode fixe 8, respective, seule, est associée à une électrode mobile 30 ; de façon qu’une électrode mobile et une électrode fixe de chaque fois une paire d’électrodes constituent ainsi tout d’abord un simple condensateur. Les électrodes fixes pour la première structure en peigne 15 des électrodes mobiles 30 par rapport à l’axe central 7 sont installées au-dessus de l’électrode mobile respective 30. Dans la seconde structure en peigne 15, les électrodes fixes 8 sont chaque fois installées en dessous de l’axe respectif de l’électrode mobile 30 par rapport à l’axe central 7. Un condensateur différentiel est formé par l’évaluation de la différence de capacité entre les deux structures en forme de peigne 15, 16. Dans la conception des électrodes 30 mobiles, la valeur de la capacité augmente par rapport à la structure en forme de peigne et cela diminue ainsi la capacité de la structure en forme de peigne, située à l’opposé. La variation de capacité est une mesure de l’accélération subie.
Les électrodes fixes sont raccordées par deux réseaux de chemins conducteurs ; chaque fois un réseau est prévu pour la première électrode fixe sur la première structure en forme de peigne et un autre réseau est prévu pour la seconde électrode fixe sur la seconde structure en forme en peigne, opposée. Les liaisons électriques sont réalisées par des variations d’ancrage mécanique. L’ancrage de l’électrode fixe à proximité du centre de gravité massique de la masse sismique 12 aboutit à une meilleure stabilité autour du point zéro.
Dans le mode de réalisation de la figure 1, on atteint une plus grande capacité de repos sur une petite surface avec une stabilité modérée pour le point zéro. Dans le mode de réalisation de la figure 2, on arrive à une stabilité ponctuelle de point zéro que l’on améliore d’un coefficient 2. Pour la capacité résiduelle comparable résultant de l’exemple de réalisation de la figure 1, on augmente la surface occupée par les électrodes ou la hauteur des électrodes autour du facteur 2.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, les électrodes fixes 8 se situent à même niveau que les électrodes mobiles 30. Les électrodes fixes 8 et les premières poutres et secondes autres poutres de liaison 25, 26 peuvent être réalisées à partir de matériaux différents. En particulier la troisième et la quatrième autre poutre de liaison 23, 25 peuvent être réalisées dans le même matériau que la première et l’autre poutre de liaison 25, 26.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS 1°) Capteur micromécanique d’accélération (1) comportant un substrat (11), une suspension (2, 3) une masse sismique (12) des électrodes capacitives fixes (8), caractérisé en ce que - la masse sismique (12) est suspendue par l’intermédiaire de la suspension (2, 3) au-dessus du substrat (11), - la masse sismique a un centre de gravité massique (6), - la suspension comporte au moins deux ancrages (4, 5) au substrat (H), - les deux ancrages (4, 5) fixent un axe central (7), - les deux ancrages (4, 5) sont prévus sur des côtés opposés au centre de gravité (6) et la distance des deux ancrages (4, 5) est petite par rapport à l’extension horizontale de la masse sismique (12) le long de Taxe central (7), - la masse sismique (12) comporte des dégagements (9) sur des côtés opposés de Taxe central (7) et ouverts latéralement vers l’extérieur sur les côtés opposés à Taxe central (7), et - les électrodes fixes (8) pénètrent au moins dans les dégagements (9) de la masse sismique (12).
  2. 2°) Capteur d’accélération selon la revendication 1, caractérisé en ce que - la masse sismique (12) comporte deux entretoises (13, 14) sur des côtés opposés de Taxe central (7), et - les deux entre toises (13, 14) ont chacune une structure en peigne (15, 16) munie de dégagements (9).
  3. 3°) Capteur d’accélération selon la revendication 2, caractérisé en ce que la masse sismique (12) comporte une entretoise massique (10) passant par le centre de gravité massique (6) et se trouvant entre deux ancrages (4, 5), l’entretoise massique (10) reliant Tune à l’autre deux entretoises (13, 14).
  4. 4°) Capteur d’accélération selon la revendication 1, caractérisé en ce que - chaque ancrage (4, 5) forme une poutre de liaison (17, 18) s’étendant le long de l’axe central (7), et - les segments des poutres de liaison (17, 18) en regard des ancrages (4, 5) comportent respectivement un élément de ressort (19, 20) relié à la masse sismique (12).
  5. 5°) Capteur d’accélération selon la revendication 1, caractérisé en ce que la suspension comporte un élément de ressort (19, 20) en forme de S ou de U ou encore de forme pliée.
  6. 6°) Capteur d’accélération selon l’une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les deux entretoises (13, 14) sont reliées l’une à l’autre aux extrémités respectivement par l’intermédiaire d’une première entretoise massique ou d’une seconde entretoise massique (21, 22).
  7. 7°) Capteur d’accélération selon la revendication 6, caractérisé en ce que la première et la seconde autre entretoise massique (21, 22) contournent respectivement l’élément de ressort (19, 20).
  8. 8°) Capteur d’accélération selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes fixes (8) sont fixées au substrat (11) dans une zone proche de l’axe central (7).
  9. 9°) Capteur d’accélération selon la revendication 8, caractérisé en ce que les électrodes fixes (8) sont réalisées sous la forme d’entretoises distinctes et les entretoises fixées par le substrat (11) sont prévues dans les zones d’extrémité associées à l’axe central.
  10. 10°) Capteur d’accélération selon la revendication 8, caractérisé en ce que - les électrodes fixes (8) sont reliées des deux côtés chaque fois à une troisième ou à une quatrième autre poutre de liaison (23, 24), ces poutres étant parallèles à l’axe central (7) et dans la zone marginale latérale de la masse sismique (12), - les troisième et quatrième autre poutre de liaison (23, 24) sont guidées respectivement par l’intermédiaire d’une première et d’une seconde autre poutre de liaison (25, 26) dans une cavité de la masse sismique (12) en direction de l’axe central (7), et - les première et seconde autre poutre de liaison (25, 26) sont associées à l’axe central (7) au niveau d’une extrémité en étant reliées au substrat (11).
  11. 11°) Capteur d’accélération selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse sismique (12) entoure la suspension (2, 3, 4, 5, 17, 18).
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