FR3031639A1 - Transducteur electromecanique integrant un element deformable de type resonateur ou membrane, et capteur de mesure integrant un tel transducteur - Google Patents
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Abstract
Transducteur électromécanique comprenant un organe déformable formé d'une poutre (10) ou d'une membrane (20), la poutre étant destinée à vibrer en flexion à sa fréquence propre de résonance qui varie lorsqu'une contrainte extérieure lui est appliquée longitudinalement, ou d'une membrane (20) destinée à se déformer en flexion sous l'effet d'une contrainte extérieure appliquée sur l'une de ces deux faces opposées. L'organe déformable est formé d'un assemblage d'au moins un premier matériau (15, 23) et un second matériau (16, 24) différent du premier matériau. Les proportions volumiques respectives des premier et deuxième matériaux constituant l'organe déformable combinées aux dimensions géométriques de l'organe déformable sont telles que la variation thermique du facteur d'échelle de l'organe est sensiblement nulle.
Description
1 TRANSDUCTEUR ELECTROMECANIQUE INTEGRANT UN ELEMENT DEFORMABLE DE TYPE RESONATEUR OU MEMBRANE, ET CAPTEUR DE MESURE INTEGRANT UN TEL TRANSDUCTEUR Domaine technique L'invention se rapporte aux dispositifs sensibles à des grandeurs physiques à mesurer, et plus particulièrement à un transducteur compensé en température, intégrant des organes déformables, tels que membrane deformable ou résonateur de type poutre.
Arrière-plan de l'invention Conventionnellement, les transducteurs équipant des capteurs de force, tels que des capteurs de pression, des accéléromètres ou des gyromètres, sont généralement constitués d'une structure sensible, qui soumise à une force extérieure à mesurer, induite par exemple par une pression, ou une accélération, est capable de générer une grandeur physique mesurable ou un signal physique représentatif de cette force. En pratique, de tels capteurs de force sont généralement formés d'un corps d'épreuve capable de traduire la force qui lui est appliquée en une grandeur physique détectable ou mesurable. Ce corps d'épreuve est en outre couplé à des moyens de détection et de conversion de cette grandeur physique en une grandeur exploitable, généralement un signal électrique. Par exemple, pour un capteur de pression, le corps d'épreuve est généralement une membrane apte à se déformer sous l'effet de la pression à mesurer, et la grandeur physique mesurable est donc la déformation de cette membrane. Pour un accéléromètre, le corps d'épreuve est généralement une masse sismique apte à se déplacer sous l'effet de l'accélération, la grandeur mesurable est donc le déplacement de cette masse. Pour ces deux types de capteurs, les moyens de détection de la déformation ou du déplacement du corps d'épreuve peuvent être des éléments déformables comme par exemple des jauges de contraintes résistives ou encore des résonateurs. Par ailleurs, un capteur doit présenter de bonnes performances en termes de sensibilité, de précision. En outre, il est souhaitable que ces performances restent le plus 3031639 2 5 stables possibles, même lorsque le capteur est soumis à des conditions sévères d'environnement thermique. En particulier, la précision d'une mesure par le capteur est étroitement liée à la capacité du transducteur intégré dans ce capteur à présenter un comportement stable lorsque le capteur est soumis à de fortes variations de la température.
10 Conventionnellement, dans le cas des structures micrométriques ou nanométriques (MEMS ou NEMS), les composants électromécaniques et notamment les éléments déformables comme la membrane ou les jauges, sont généralement réalisés dans une couche monolithique de matériau comme le silicium. Or, la dérive thermique des 15 caractéristiques intrinsèques du silicium, telles que le module d'Young et le coefficient de dilatation, est très importante. De ce fait, la stabilité des performances de ces capteurs est donc très fortement dépendante de leur température de fonctionnement. La littérature mentionne divers solutions de compensation thermique.
20 Une approche consiste à réaliser la compensation thermique active et globale du capteur via un traitement du signal nécessitant une modélisation thermique du comportement du capteur par exemple, ou via un calibrage préalable du capteur avant toute mesure.
25 Une autre approche consiste à intervenir au niveau des matériaux utilisés pour la réalisation des éléments constituant le capteur ou le transducteur. En particulier, pour des éléments déformables réalisés à base de silicium, plusieurs solutions préconisent l'utilisation d'un assemblage de deux matériaux composés de silicium et d'oxyde de 30 silicium. Cependant, de façon générale, ces solutions proposées visent uniquement à stabiliser thermiquement les caractéristiques intrinsèques propres d'un élément déformable, telles que par exemple la fréquence de résonance propre d'un résonateur de type poutre.
35 Par exemple, le document WO 98/29943 propose un résonateur formé d'une couche en silicium et d'une couche en oxyde ou en nitrure de silicium pour stabiliser la dérive thermique de sa fréquence de résonance. La différence de dilatation entre les deux matériaux utilisés fait que, lorsque le résonateur subit un changement de température, la 3031639 3 5 tension mécanique du résonateur entre les deux supports varie, et la fréquence de résonance du résonateur est sensiblement stable en fonction de la température. Le document EP 1 422 436 propose également une structure déformable sous la forme d'un ressort spiral, à base de silicium et d'oxyde de silicium. Cependant, dans la 10 mesure où le ressort spiral est destiné à être couplé avec un balancier et à osciller autour de sa position de repos, la solution de compensation proposée vise uniquement à agir sur la stabilité thermique de la rigidité du ressort spiral. Exposé de l'invention 15 La présente invention a pour but de proposer une autre approche pour la compensation thermique d'un capteur ou d'un transducteur. L'invention consiste notamment à réaliser une compensation thermique sur la 20 dynamique propre du transducteur. En particulier, l'invention consiste à réaliser un transducteur dans lequel au moins un élément mécanique déformable sensible vis-à-vis d'une contrainte extérieure représentative d'une grandeur physique à mesurer, présente un facteur d'échelle variant très faiblement avec la température. Le facteur d'échelle est défini comme étant le rapport existant entre la variation de la grandeur en sortie du 25 transducteur et la variation de la contrainte appliquée en entrée du transducteur. La présente invention est particulièrement adaptée à un transducteur intégrant au moins un élément déformable tel qu'une membrane ou un résonateur de type poutre vibrante.
30 L'invention a ainsi pour objet, un transducteur électromécanique intégrant un résonateur mécanique de dimensions micrométriques ou nanométriques comprenant un organe déformable formé d'au moins une poutre ayant au moins une de ses extrémités opposées fixée à un support. La poutre est formée d'un assemblage d'au moins deux 35 matériaux différents, nommés respectivement premier et deuxième matériaux. Par ailleurs, cette poutre est destinée à vibrer en flexion à sa fréquence propre de résonance. Lorsqu'une contrainte extérieure à mesurer lui est appliquée longitudinalement, une 3031639 4 5 variation de sa fréquence propre de résonance est induite et représentative de cette contrainte à mesurer. Selon l'invention, les proportions volumiques respectives des premier et deuxième matériaux constituant la poutre, comprises de préférence entre 6% et 8%, combinées aux 10 dimensions géométriques de la poutre sont telles que la variation thermique du facteur d'échelle de la poutre est sensiblement nulle, le facteur d'échelle étant dans ce cas le rapport entre la variation de la fréquence propre de résonance de la poutre et l'intensité de la contrainte à mesurer.
15 L'invention préconise donc une approche de la compensation thermique différente de l'art antérieur, puisqu'elle se focalise sur la sensibilité thermique du facteur d'échelle du résonateur, c'est-à-dire sur un paramètre lié à la contrainte, et non pas sur une caractéristique intrinsèque propre du résonateur, telle que sa fréquence de résonance.
20 En particulier, la quasi nullité de la variation du facteur d'échelle de la poutre peut se traduire par le fait que la sensibilité thermique du facteur d'échelle de la poutre formée des premier et second matériaux est réduite d'un facteur compris entre 10 et 100 par rapport à la sensibilité thermique du facteur d'échelle de la même poutre réalisée avec un seul des deux matériaux.
25 En pratique, la poutre présente deux faces opposées qui s'étendent longitudinalement et dont l'écart définit l'épaisseur générale de la poutre. L'invention a également pour objet un transducteur électromécanique comprenant 30 un organe deformable de dimensions micrométriques ou nanométriques formé d'une membrane présentant deux faces opposées et réalisée en un assemblage d'au moins un premier matériau et un second matériau différent du premier matériau. Par ailleurs, la membrane est destinée à se déformer en flexion sous l'effet d'une contrainte extérieure appliquée sur l'une de ces deux faces opposées.
35 Selon l'invention, les proportions volumiques respectives des premier et deuxième matériaux constituant la membrane, comprises de préférence entre 30 et 40%, combinées aux dimensions géométriques de la membrane sont telles que la variation thermique du 3031639 5 5 facteur d'échelle de la membrane est sensiblement nulle, le facteur d'échelle étant dans ce cas le rapport entre l'amplitude de déformation de la membrane et l'intensité de la contrainte à mesurer. De façon similaire, la quasi nullité de la variation du facteur d'échelle de la 10 membrane peut se traduire par le fait que la sensibilité thermique du facteur d'échelle de la membrane formée des premier et second matériaux est réduite d'un facteur compris entre 10 et 100 par rapport à la sensibilité thermique du facteur d'échelle de la même membrane réalisée uniquement avec le premier matériau.
15 Selon un mode de réalisation, l'organe déformable est formé d'une première couche du premier matériau et d'une deuxième couche du second matériau. En pratique, l'écart entre les deux faces opposées de l'élément déformable, à savoir la poutre ou la membrane, définit l'épaisseur générale de l'élément déformable. En outre, les épaisseurs respectives des premier et deuxième matériaux combinées aux dimensions géométriques 20 de l'organe déformable sont telles que la variation thermique du facteur d'échelle de l'organe déformable est sensiblement nulle. Avantageusement, la deuxième couche entoure la première couche. De préférence, le premier matériau est du silicium, et le second matériau est de l'oxyde de silicium.
25 Dans ce cas de figure et dans le cas du résonateur de type poutre, l'épaisseur de la couche d'oxyde de l'organe déformable est telle que le terme (-11,12 -304/2) est faible ou sensiblement nul, lir étant le coefficient de variation thermique du module d'Young de la poutre, et a, étant le coefficient de dilatation thermique de la poutre. Ce terme (-11,12 - 30412) vérifie notamment l'équation suivante : AK r_11r 30[71 = Kr 2 2 30 avec - Kr le facteur d'échelle de la poutre ; AK, la variation du facteur d'échelle de la poutre ; - AT la variation de la température.
3031639 6 5 En particulier, la valeur du terme (-11,12 -304/2) du résonateur de type poutre formé de silicium et d'oxyde est de préférence réduite d'un facteur de 10 à 100 par rapport à la valeur du terme (-11,12 -3°4/2) du même résonateur réalisé uniquement en silicium. De façon similaire, pour la membrane déformable du transducteur décrit ci-dessus, 10 l'épaisseur de la couche d'oxyde de l'organe déformable est telle que le terme (r1',-Fam) est faible ou sensiblement nul, Tin, étant le coefficient de variation thermique du module d'Young de la membrane, et am étant le coefficient de dilatation thermique de la membrane. Ce terme (r1',-Fam) vérifie notamment l'équation suivante : Km = (r lin + am)AT avec 15 - K., le facteur d'échelle de la membrane ; - AK., la variation du facteur d'échelle de la membrane ; - AT la variation de la température. En particulier, la valeur du terme (r1',-Fam) de la membrane formée de silicium et 20 d'oxyde est de préférence réduite d'un facteur de 10 à 100 par rapport à la valeur du terme (r1',-Fam) de la même membrane réalisée uniquement en silicium. Les éléments déformables décrits ci-dessus peuvent être mis en oeuvre dans divers dispositifs, et notamment dans des capteurs de mesure d'une grandeur physique.
25 Un autre objet de l'invention concerne donc un capteur de mesure d'une grandeur physique comprenant au moins : - une membrane d'un transducteur tel que décrit ci-dessus, ladite membrane étant sensible à une contrainte extérieure représentative de ladite grandeur 30 physique à mesurer ; et - des moyens de détection aptes à fournir un signal représentatif de la déformation de cette membrane sous l'effet de cette contrainte. OKm 3031639 7 5 Selon un mode de réalisation, le capteur de mesure peut comprendre : - une première membrane d'un premier transducteur tel que décrit ci-dessus, cette première membrane étant sensible à une première contrainte extérieure représentative d'une première grandeur physique ; - une deuxième membrane d'un deuxième transducteur tel que décrit ci- 10 dessus, cette deuxième membrane étant de dimensions sensiblement identique à la première membrane, et étant sensible à une deuxième contrainte extérieure représentative d'une deuxième grandeur physique de même type que la première grandeur physique ; et - des moyens de détection aptes à fournir un signal représentatif de la 15 différence entre les premier et deuxième contraintes. Un autre objet de l'invention concerne un capteur de mesure d'une grandeur physique comprenant au moins : - un résonateur d'un transducteur tel que défini ci-dessus, le résonateur étant 20 sensible à une contrainte extérieure représentative de ladite grandeur physique à mesurer ; - des moyens d'excitation pour mettre en vibration le résonateur à sa fréquence propre de résonance ; et - des moyens de détection apte à fournir un signal représentatif de la 25 fréquence de vibration du résonateur. Par exemple, ce capteur de mesure peut comprendre : - un premier résonateur d'un premier transducteur tel que décrit ci-dessus, sensible à une première contrainte extérieure représentative d'une grandeur 30 physique à mesurer ; - un deuxième résonateur d'un deuxième transducteur tel que décrit ci-dessus, dont la poutre est de dimensions sensiblement identiques à celle du premier résonateur, ce deuxième résonateur étant sensible à une deuxième contrainte extérieure égale et de direction opposée à la première 35 contrainte ; - des moyens d'excitation pour mettre en vibration les premier et deuxième résonateurs à leur fréquence propre de résonance respective ; et 3031639 8 5 - des moyens de détection aptes à fournir un signal représentatif de la différence de fréquence de vibration entre les premier et deuxième résonateurs. Chacun des capteurs de mesure décrits ci-dessus peut notamment être utilisé pour la 10 réalisation d'un capteur de pression. Ainsi, selon une application particulière, le capteur de pression peut être formé des éléments du capteur de mesure décrit ci-dessus intégrant un résonateur, et peut en outre comprendre un substrat portant une membrane apte à se déformer sous l'effet d'une 15 pression qui lui est appliquée. L'une des extrémités opposées de la poutre du transducteur est fixée à la membrane, l'autre extrémité est fixée sur une partie fixe et indéformable du substrat. Par ailleurs, la membrane portée par le substrat peut être une membrane d'un 20 transducteur tel que défini ci-avant. De façon similaire, le capteur de pression peut être formé des éléments du capteur de mesure décrit ci-avant intégrant deux résonateurs, et peut en outre comprendre un substrat portant des première et seconde membranes de premier et deuxième transducteurs 25 tels que définis précédemment, de dimensions sensiblement identiques entre elles. La première membrane est de préférence apte à se déformer sous l'effet d'une première pression qui lui est appliquée. Par ailleurs, les poutres des premier et deuxième transducteurs s'étendent de préférence parallèlement entre elles, chaque poutre présentant des première et seconde extrémités opposées couplées respectivement aux première et 30 seconde membranes. En particulier, les premières extrémités des poutres sont couplées mécaniquement à la première membrane, de manière symétrique par rapport au centre de la première membrane, et les secondes extrémités des poutres sont couplées mécaniquement à la seconde membrane, de manière symétrique par rapport au centre de la seconde membrane.
35 Avantageusement, la seconde membrane est déformable sous l'effet d'une seconde pression qui lui est appliquée. De préférence, les première et seconde membranes sont coplanaires en l'absence de contrainte extérieure.
3031639 9 5 Selon une variante : - la première membrane est formée de première et deuxième demi-membranes distinctes, ces première et deuxième demi-membranes étant découplées entre elles et étant destinées à être soumise à une même 10 contrainte ; - la deuxième membrane est formée de troisième et quatrième demi-membranes distinctes, ces troisième et quatrième demi-membranes étant découplées entre elles et étant destinées à être soumise à une même autre contrainte; 15 - les premières extrémités des poutres des premier et deuxième transducteurs sont couplées respectivement aux première et deuxième demi-membranes ; - les secondes extrémités des poutres des premier et deuxième transducteurs sont couplées respectivement aux troisième et quatrième demi-membranes.
20 Selon une autre variante, le capteur de pression peut en outre comprendre un troisième résonateur d'un troisième transducteur tel que décrit ci-avant, sensiblement identique aux premier et deuxième résonateurs, et sur lequel aucune contrainte n'est appliquée, ce troisième résonateur formant résonateur de référence.
25 Selon un autre mode de réalisation, chacun de ces capteurs de mesure à base de résonateur peut notamment être utilisé pour la réalisation d'un accéléromètre comprenant au moins une masse sismique suspendue et guidée, se déplaçant linéairement sous l'effet d'une accélération. Les premier et deuxième résonateurs sont de préférence liés chacun à une de ces deux masses sismiques au niveau de l'une de leur extrémités et à un point fixe 30 au niveau de l'autre extrémité. Selon un autre mode de réalisation, chacun de ces capteurs de mesure à base de résonateur peut notamment être utilisé pour la réalisation d'un accéléromètre comprenant au moins deux masses sismiques suspendues et guidées, se déplaçant linéairement sous 35 l'effet d'une accélération. Les premier et deuxième résonateurs sont de préférence liés chacun à une de ces deux masses sismiques au niveau de l'une de leur extrémités et à un point fixe au niveau de l'autre extrémité.
3031639 10 5 Selon un autre mode de réalisation, chacun de ces capteurs de mesure à base de résonateur peut notamment être utilisé pour réaliser un gyromètre comprenant au moins deux systèmes de masses sismiques suspendues et guidées, se déplaçant linéairement sous l'effet d'une accélération. Les premier et deuxième résonateurs sont de préférence liés chacun à une de ces deux masses sismiques, ou aux extrémités d'un levier de couplage 10 entre ces dits systèmes, au niveau de l'une de leur extrémités et à un point fixe au niveau de l'autre extrémité. Par ailleurs, la fréquence propre des résonateurs est de préférence au moins dix fois plus grande que la fréquence d'activation de ces résonateurs. Un tel écart permet d'éviter un repliement de fréquence et donc une démodulation correcte de la fréquence des résonateurs représentative de l'accélération de Coriolis modulée à la 15 fréquence d'activation. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la 20 description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 A est une vue en perspective de la représentation schématique d'une poutre formant résonateur selon un mode de réalisation de l'invention ; 25 - la figure 1B est une vue en coupe selon l'axe AA' de la poutre de la figure 1A; - la figure 1C est une vue en coupe selon l'axe BB' de la poutre de la figure 1A; - la figure 2A est une vue en perspective de la représentation schématique 30 d'une membrane déformable selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2B est une vue en coupe selon l'axe CC' de la membrane de la figure 2A ; - la figure 3A est une représentation schématique en coupe d'un capteur de pression intégrant un résonateur et une membrane déformable selon un 35 mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3B est une vue de dessus du capteur de la figure 3A ; - la figure 3C est une vue en coupe du capteur de la figure 3A soumise à une pression P1 ; 3031639 11 5 - la figure 4A est une représentation schématique en coupe d'un capteur de pression différentielle intégrant deux résonateurs et deux membranes déformables selon un autre mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4B est une vue de dessus du capteur de la figure 4A ; - la figure 4C est une vue en coupe du capteur de la figure 4A soumise à 10 deux pressions différentes P1 et P2 ; - la figure 5A est une représentation schématique en coupe d'un capteur de pression différentiel intégrant deux résonateurs et quatre demi-membranes déformables selon un autre mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5B est une vue de dessus du capteur de la figure 5A ; 15 - la figure 6 est une représentation schématique en coupe du capteur de pression différentiel de la figure 4A intégrant un résonateur de référence ; - la figure 7 est une représentation schématique en coupe d'un accéléromètre selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 8 est une représentation schématique en coupe d'un gyromètre 20 selon un mode de réalisation de l'invention. Description détaillée Le choix du matériau composant un résonateur mécanique détermine les 25 caractéristiques thermiques du résonateur. En particulier, la réponse d'un résonateur réalisé uniquement en silicium et soumis à de fortes variations de température, est rarement linéaire. La fréquence propre de résonance F d'un résonateur mécanique en mode flexion et 30 en forme de poutre parallélépipédique, d'épaisseur e, de largeur W, et de longueur L, réalisée dans un matériau homogène de masse volumique p et de module d'Young E, est donnée par la formule suivante : Y F = Foil+ Yc avec : - Fo : la fréquence propre du résonateur sans contrainte, donnée par la 35 formule F0 = 1,02817e2 3031639 12 5 - Yc : l'accélération critique de flambage du résonateur ; et - Y : la contrainte appliquée au résonateur ; Par exemple, lorsque le résonateur est intégré dans un capteur de pression, Y est l'image de la pression extérieure s'exerçant suivant l'axe de mesure dans le cas d'un 10 capteur de pression, et lorsque le résonateur est intégré dans un accéléromètre, Y est l'image de l'accélération extérieure s'exerçant suivant l'axe de mesure. Le facteur d'échelle Kr du résonateur est donné par la formule suivante : Fo M 1 Kr = -2 Yc = 0,152 W. e 2 EP où M est la masse du corps d'épreuve avec lequel le résonateur est couplé. Le facteur d'échelle d'une poutre vibrante est le rapport entre la variation de la fréquence propre de résonance de la poutre et la variation de l'intensité de la contrainte qui lui est appliquée (au premier ordre : AF = Kr . Y). On comprend donc qu'une erreur du facteur d'échelle conduit à une erreur d'estimation de la contrainte appliquée. De ce fait, pour améliorer les sensibilités thermiques des performances d'un tel résonateur, il est proposé de réduire la sensibilité thermique du facteur d'échelle du résonateur.
25 Or, la sensibilité thermique du facteur d'échelle du résonateur dépend de la sensibilité thermique du module d'Young de la poutre et de la sensibilité thermique d'une dimension de la poutre, à savoir sa longueur L. Par ailleurs, pour une variation thermique AT : 30 - la variation de la longueur L de la poutre est donnée par AL = ar AT, et - la variation thermique du module d'Young de la poutre est donnée par AE = lir AT. D'où : 35 AFo/Fo = (i-412 - ar/2) AT AKir/ Kir = (-11,12 - 304/2) AT 15 20 3031639 13 5 De ce fait, on conçoit que le facteur d'échelle est invariant en température si le coefficient de dilatation ar et le coefficient de sensibilité thermique du module d'Young lir sont nuls ou très faibles. Ceci peut limiter considérablement le choix des matériaux. De ce fait, pour augmenter la stabilité en température du facteur d'échelle du 10 résonateur, il est possible de réduire le coefficient lir de la poutre en réalisant la poutre du résonateur à partir de deux matériaux dont les coefficients lir sont de signes opposés, comme dans le cas du silicium et de l'oxyde de silicium. Bien entendu, d'autres combinaisons de matériaux vérifiant les propriétés citées ci-dessus sont également envisageables. Par ailleurs, plusieurs configurations d'implémentation de ces différents 15 matériaux sont également possibles. Par exemple, dans une configuration, les différents matériaux peuvent être assemblés en une superposition de couches dans l'épaisseur de la poutre ou dans la longueur de la poutre. Dans une autre configuration, l'un des matériaux peut être implanté sous la forme de bâtonnets, de plots ou de croix dans l'autre matériau.
20 Partant de ce principe, une solution selon un mode de réalisation consiste à réaliser la poutre avec du silicium (Si) et de l'oxyde de silicium (Si02). En effet, le coefficient de sensibilité thermique du module d'Young n de l'oxyde est positif, alors que celui du silicium est négatif comme le montre ce tableau ci-dessus. Si Si02 E 169 71 GPa n -64 187,5 ppm/°K a 7,6 0,5 ppm/°K 25 Par ailleurs, il est envisagé un assemblage en couches des différents matériaux avec une proportion de silicium supérieure à celle de l'oxyde. Dans ce cas particulier, le coefficient de dilatation de la poutre ar tendra vers celui du silicium.
30 Les figures lA à 1C présentent une poutre vibrante selon ce mode particulier de réalisation. Cette poutre 10 est destinée à être encastrée au niveau de ses deux extrémités opposées 11, 12 et est constituée d'un assemblage de matériaux, notamment de silicium et d'oxyde de silicium.
3031639 14 5 Cette poutre est destinée à vibrer en flexion à sa fréquence propre de résonance Fo, et l'application d'une contrainte extérieure à mesurer qui lui est appliquée longitudinalement induit une variation de sa fréquence propre de résonance représentative de cette contrainte à mesurer.
10 Cette poutre présente deux faces opposées 13, 14 s'étendant longitudinalement, de longueur L et de largeur W. L'écart entre ces deux faces opposées 13, 14 définit l'épaisseur e de la poutre 10. Cette poutre 10 est par ailleurs formée d'une couche en silicium 15 d'épaisseur esi, constituant une âme, recouverte d'une couche d'oxyde de silicium 16 d'épaisseur esio2. La couche d'oxyde peut être obtenue par oxydation de la 15 couche de silicium via tout procédé d'oxydation connu, par exemple par oxydation thermique. Les épaisseurs respectives de la couche de silicium et de la couche d'oxyde conduisent à l'équation suivante : 11r - Tisi (hlsi llsio2)- 6. esio2 2. esio2 esi 20 dans laquelle : - Tir est le coefficient de variation thermique du module de Young de la poutre; - ris o2 est le coefficient de variation thermique du module de Young de la couche d'oxyde; 25 - rlsi est le coefficient de variation thermique du module de Young de la couche de silicium; - esio2 est l'épaisseur de la couche d'oxyde ; - es, est l'épaisseur de la couche de silicium ; - W est la largeur de la poutre.
30 L'épaisseur esio2 de la couche d'oxyde 16 peut être comprise entre 0,11.1m et 0,21.1m pour une poutre de 60 i.tm d'épaisseur. De préférence, l'épaisseur esio2 de la couche d'oxyde 16 est inférieure à 3% de l'épaisseur e de la poutre, par exemple de l'ordre de 2,5%. Cette épaisseur assure la stabilité thermique du facteur d'échelle et procure 35 simultanément une amélioration de la stabilité en température de la fréquence de 3031639 15 5 résonance. Bien entendu, l'épaisseur de chacune des couches de matériau est de préférence sensiblement uniforme. Dans le document EP 1 422 436 il est proposé une couche d'oxyde de 6% de l'épaisseur totale du ressort pour une stabilité thermique optimum de la fréquence.
10 Cependant, cette valeur de 6% ne permet pas d'obtenir en même temps une stabilité thermique du facteur d'échelle. En d'autres termes, l'effet recherché par la présente solution, à savoir la stabilisation thermique du facteur d'échelle, ne peut être obtenu avec la proportion d'oxyde divulguée dans ce document.
15 Ce type de compensation thermique par oxydation de l'élément déformant est également applicable à des membranes déformables destinées à être intégré dans des capteurs de pression. Ainsi, de façon sensiblement similaire au raisonnement de la poutre vibrante, la 20 variation thermique du facteur d'échelle de la membrane deformable peut être réduite en réalisant la membrane avec un assemblage de deux matériaux différents, tels que du silicium et de l'oxyde de silicium. Un mode de réalisation d'une telle membrane est présenté aux figures 2A et 2B.
25 Cette membrane peut être de différentes formes telles que carrée ou circulaire comme illustrée sur les figures 2A et 2B. Quelle que soit sa forme, cette membrane 20 présente deux faces opposées 21, 22 dont l'écart défini l'épaisseur z de la membrane 20. Cette membrane 20 est destinée à être encastrée au niveau de ses bords périphériques et à se déformer en flexion lors de l'application d'une pression sur l'une de ses deux faces 30 opposées 21, 22. Cette membrane 20 est par ailleurs formée d'une couche en silicium 23 d'épaisseur esi, constituant une âme, recouverte d'une couche d'oxyde de silicium 23 d'épaisseur esia. La couche d'oxyde peut être obtenue par oxydation de la couche de silicium par tout procédé d'oxydation connu, par exemple par oxydation thermique.
35 Pour une telle membrane, le facteur d'échelle de la déformée de la membrane en fonction de la pression est Km= w/q, où w traduit la déformation de la membrane et q la différentielle de pression soumise par la membrane. Par ailleurs, la variation thermique de ce facteur d'échelle est donnée par AKm/K., = (an, + rim) AT, avec AT la variation 3031639 16 5 thermique, an, le coefficient de dilatation de la membrane et î le coefficient de sensibilité thermique du module d'Young de la membrane. Les épaisseurs respectives de la couche de silicium et de la couche d'oxyde de la membrane, permettant de réduire la variation du facteur d'échelle peuvent être telles que 10 l'expression (4. as, - -°DD) est sensiblement nulle, dans laquelle : - as, est le coefficient de dilatation du silicium ; - -AD la différentielle normalisée entre 0 et 100°C de la fonction suivante D 1 Esi esi'-SiO2 esio2. esi D = 6 (1 - vD 24 + (1 - vL2) 4 avec : - E - : le module d'Young du silicium ; 15 - Es1o2 : le module d'Young de l'oxyde ; - v - : le coefficient de Poisson du silicium ; - esio2 : le coefficient de Poisson de l'oxyde ; L'épaisseur esio2 de la couche d'oxyde 24 peut être comprise entre let 2 i.tm pour 20 une membrane de 101.1m d'épaisseur. Par exemple, l'épaisseur esio2 de la couche d'oxyde 24 est inférieure à 20% de l'épaisseur z de la membrane, par exemple de l'ordre de 15%. Cette épaisseur assure l'amélioration de la stabilité en température du facteur d'échelle. Bien entendu, l'épaisseur de chacune des couches de matériau est de préférence sensiblement uniforme.
25 Le résonateur et la membrane tels que décrits ci-avant peuvent être utilisés pour la réalisation de capteur de mesure, tel que des capteurs de pression. Les figures 3A à 3C présente un capteur de pression intégrant un résonateur de type 30 poutre vibrante selon le mode de réalisation décrit ci-avant, couplé à une membrane qui peut être compensé en température selon le principe exposé précédemment ou non. Ce capteur de pression 3 comprend ainsi un substrat 30 portant la membrane 32 deformable. La poutre vibrante 31 formant le résonateur est disposée dans une cavité 33, 35 mise sous vide. Par ailleurs, l'une des deux extrémités opposées de la poutre 31 est 3031639 17 5 couplée mécaniquement à une face interne de la membrane via un plot 34a, l'autre extrémité est couplée sur une partie fixe du substrat 30 via un autre plot 34b. Bien entendu, le capteur de pression 30 comprend des moyens d'excitation (non représentés) pour mettre en vibration la poutre 31 à sa fréquence propre de résonance, ainsi que des moyens de détection (également non représentés) pour fournir un signal représentatif de 10 la fréquence de vibration du résonateur. Comme illustré sur la figure 3C, de façon classique, l'application d'une pression P1 sur une face externe de la membrane 31 opposée à la face interne, induit une déformation de la membrane 31, ainsi qu'une modification de la fréquence de résonance du résonateur résultant de cette déformation de la membrane. Sur les figures, les déformations de la membrane et de la poutre sont 15 représentées de manière exagérée. De préférence, la poutre 31 est couplée à la membrane 32 de manière à obtenir un bon facteur d'amplification des contraintes et une bonne fréquence de résonance. Par exemple, le plot 34a peut être disposé sensiblement au tiers de la membrane 32, dans la 20 direction de la longueur de la poutre. Les figures 4A à 4C présente un capteur de pression différentiel intégrant deux résonateurs de type poutre vibrante tel que décrit ci-avant, couplés à deux membranes déformables qui peuvent être compensées en température selon le principe exposé 25 précédemment ou non. De manière générale, le capteur de pression différentiel résonant possède deux membranes identiques, notamment rectangulaires mises côte à côte. Sur une des faces de chaque membrane sont disposés deux plots symétriques par rapport au centre de la 30 membrane. Les plots de la première membrane sont reliés chacun aux plots de la deuxième membrane par un résonateur tel que décrit ci-avant, les deux résonateurs étant de dimensions sensiblement identiques. Ainsi, le capteur de pression différentiel 4 comprend un substrat 40 portant des 35 première et deuxième membranes déformables 421, 422 bien distinctes, mais de géométries sensiblement identiques. Ces deux membranes 421, 422 sont sensiblement coplanaires en l'absence de toutes contraintes. Le capteur de pression différentiel 4 comprend en outre des premier et deuxième résonateurs 411, 412 de type poutre, qui sont 3031639 18 5 disposés dans une même cavité 43 mise sous vide, et qui s'étendent de façon sensiblement parallèle entre elles. Chaque résonateur 411, 412 présente des première et secondes extrémités opposées couplées respectivement aux première et seconde membranes 421, 422 via respectivement des premier et second plots 441a, 441b, 442a, 442b. Ainsi, les premières extrémités des résonateurs 411, 412 sont couplées mécaniquement à la 10 première membrane 421, de manière symétrique par rapport au centre de cette première membrane 421, et les secondes extrémités des résonateurs 411, 412 sont couplées mécaniquement à la seconde membrane 422, également de manière symétrique par rapport au centre de la seconde membrane 422. Bien entendu, comme précédemment, le capteur de pression 40 comprend des moyens d'excitation (non représentés) pour mettre 15 en vibration les deux résonateurs 411, 412 à leur fréquence propre de résonance respective, ainsi que des moyens de détection (également non représentés) pour fournir des signaux représentatifs de la fréquence de vibration des deux résonateurs respectifs. Comme illustré sur la figure 4C, de façon classique, l'application d'une première 20 pression Pl sur la face externe de la première membrane 421 induit une déformation des première membrane 421, et l'application simultanée d'une deuxième pression P2 sur la face externe de la deuxième membrane 421, induit une déformation de la deuxième membrane 422, modifiant ainsi les fréquences de résonance respectives des premier et deuxième résonateurs 411, 412. Comme précédemment, les déformations des membranes 25 et des poutres sont représentées de manière exagérée. En pratique, les poutres se déforment très peu en flexion. Plus précisément, sous l'effet des première et deuxième pressions Pl, P2, chacune des membranes 421, 422 se déforme entraînant en rotation les plots 441a, 441b, 442a, 30 442b, générant ainsi une contrainte axiale sur chacun des résonateurs. En particulier, les plots 441a et 441b couplés au premier résonateur 411 basculent dans le sens anti horaire, tandis que les plots 442a et 442b couplés au deuxième résonateur 412, basculent dans le sens horaire. La contrainte résultante sur chacun des premier et deuxième résonateurs 411, 412 sera proportionnelle à la différence des pressions exercées sur les premier et 35 deuxième membranes 421, 422. Du fait de la disposition antisymétrique, lorsque le premier résonateur est comprimé, le deuxième résonateur 412 est en traction, le montage est de type push-pull. Ainsi la différence de fréquence des deux résonateurs est fonction de la différence de pression entre la première pression Pl et la seconde pression P2.
3031639 19 5 Il est cependant préférable que les deux résonateurs 411, 412 soient correctement découplés de façon à éviter toute zone aveugle de fonctionnement lorsque la pression différentielle entre les deux membranes 421, 422 est très faible. Une possibilité de découplage peut consister à décomposer chaque membrane en deux demi-membranes 10 421a, 421b, 422a, 422b indépendantes, de dimensions identiques, et soumises aux mêmes pressions, comme présenté sur les figures 5A et 5B. Pour des raisons de clarté, un seul des résonateurs a été représenté sur la figure 5A. Le fonctionnement de ce capteur est identique à celui de la figure 4A.
15 Par ailleurs, comme illustré sur la figure 6, il est possible d'intégrer un résonateur de référence 413, sensiblement identique aux premier et deuxième résonateurs, et sur lequel aucune contrainte n'est appliquée. Le résonateur tels que décrit ci-avant peut également être mis en oeuvre dans des 20 accéléromètres ou des gyromètres, tels que ceux décrits dans les documents W02014102507 ou W02009016114 ou encore EP1536240 par exemple, en tant que moyen de détection du déplacement de la masse mobile. A titre d'exemple, la figure 7 présente un accéléromètre 5 intégrant deux 25 résonateurs 53, 54 tels que décrits ci-dessus, selon un mode de réalisation particulier. L'accéléromètre 5 comprend notamment deux masses sismiques 51, 52 et deux résonateurs 53, 54 à poutre. Chacune des masses 51, 52 est guidées de façon linéaire par rapport à un support 50 fixe via des bras de liaison 511, 512, 513, 514, 521, 522, 523, 524, et est couplée à l'un des résonateurs 53, 54. En particulier, chaque résonateur 53, 54 30 est fixé à la masse 51, 52 au niveau d'une de ses extrémités, l'autre extrémité étant fixé à un point d'ancrage fixe. Par ailleurs, de façon classique, l'accéléromètre intègre également des moyens d'excitation des résonateurs ainsi que des moyens de mesure des fréquences de résonance qui ne sont pas représentés. Les résonateurs 53, 54 sont disposés de façon sensiblement parallèle entre eux, de sorte que sous l'effet d'une accélération les 35 deux résonateurs 53, 54 subissent des contraintes opposées. Ainsi, lors d'une accélération y suivant dans l'axe X par exemple, l'un des résonateur 51 est soumis à une traction, l'autre résonateur 52 est soumis à une compression. De manière similaire, il est possible de réaliser un accéléromètre hors plan comprenant une masse sismique.
3031639 20 5 De même, à titre d'exemple, la figure 8 présente un gyromètre 6 intégrant également deux résonateurs 63, 64 tels que décrits ci-dessus, selon un mode de réalisation particulier. Ce gyromètre 6 comprend notamment deux masses sismiques 61, 62 et deux résonateurs 63, 64 à poutre. Chacune des masses 61, 62 est fixées à deux bras de levier 10 65, 66 via des bras de guidage 611, 612, 613, 614, 621, 622, 623, 624, de façon symétrique par rapport à un axe de rotation 601, 602 suivant l'axe Y. Elles sont activées en opposition de phase selon l'axe X. Les deux bras de levier 65, 66 sont mobiles en rotation autour des axes de rotation 601 et 602. Les deux résonateurs 63, 64 sont fixés à l'un des bras de levier 65 de façon symétrique par rapport à un axe de rotation 601-602 de 15 sorte que sous l'effet d'une rotation les deux résonateurs 53, 54 subissent des contraintes opposées. En particulier, chaque résonateur 63, 64 est fixé au bras de levier 65 au niveau d'une de ses extrémités, l'autre extrémité étant fixé à un point d'ancrage fixe. Par ailleurs, comme pour l'accéléromètre, le gyromètre intègre également des moyens d'excitation des résonateurs ainsi que des moyens de mesure des fréquences de résonance qui ne sont pas 20 représentés. Ainsi, sous l'effet d'une vitesse angulaire fl, les deux masses 61, 62 se déplacent en opposition de phase, l'un des résonateurs 63 est soumis à une traction, l'autre résonateur 64 est soumis à une compression. La solution de l'invention présentée est donc une méthode pour minimiser les effets 25 thermiques sur le facteur d'échelle des éléments déformables utilisés dans les capteurs.
Claims (20)
- REVENDICATIONS1. Transducteur électromécanique intégrant un résonateur mécanique de dimensions micrométriques ou nanométriques comprenant un organe déformable formé d'au moins une poutre (10) ayant au moins une de ses extrémités opposées (11, 12) fixée à un 10 support, ladite poutre (10) étant formée d'un assemblage d'au moins un premier matériau (15, 23) et un second matériau (16, 24) différent du premier matériau, et étant destinée à vibrer en flexion à sa fréquence propre de résonance, une contrainte extérieure à mesurer qui lui est appliquée longitudinalement induisant une variation de sa fréquence propre de résonance représentative de cette contrainte à mesurer, 15 caractérisé en ce que les proportions volumiques respectives des premier et deuxième matériaux constituant la poutre combinées aux dimensions géométriques de la poutre sont telles que la variation thermique du facteur d'échelle de la poutre est sensiblement nulle, le facteur d'échelle étant dans ce cas le rapport entre la variation de la fréquence propre de résonance de la poutre et l'intensité de la contrainte à mesurer. 20
- 2. Transducteur électromécanique comprenant un organe déformable de dimensions micrométriques ou nanométriques formé d'une membrane (20) présentant deux faces opposées (21, 22) et réalisée en un assemblage d'au moins un premier matériau et un second matériau différent du premier matériau, ladite membrane (20) est destinée à se 25 déformer en flexion sous l'effet d'une contrainte extérieure appliquée sur l'une de ces deux faces opposées, caractérisé en ce que les proportions volumiques respectives des premier et deuxième matériaux constituant la membrane combinées aux dimensions géométriques de la membrane sont telles que la variation thermique du facteur d'échelle de la membrane 30 est sensiblement nulle, le facteur d'échelle étant dans ce cas le rapport entre l'amplitude de déformation de la membrane et l'intensité de la contrainte à mesurer.
- 3. Transducteur électromécanique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'organe déformable est formé d'une première couche (15, 23) du premier matériau et 35 d'une deuxième couche (16, 24) du second matériau.
- 4. Transducteur électromécanique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la deuxième couche (16, 24) entoure la première couche (15, 23). 3031639
- 5. Transducteur électromécanique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier matériau est du silicium, et le second matériau est de l'oxyde de silicium. 10
- 6. Transducteur électromécanique selon l'une des revendications 1 et 3 à 5, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche d'oxyde est telle que le terme (-11r/2 -3a,/2) est sensiblement nul, lir étant le coefficient de variation thermique du module d'Young de la poutre, et a, étant le coefficient de dilatation thermique de la poutre. 15
- 7. Transducteur électromécanique selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche d'oxyde est telle que le terme (r1',-Farn) est faible ou sensiblement nul, lb, étant le coefficient de variation thermique du module d'Young de la membrane, et an, étant le coefficient de dilatation thermique de la membrane. 20
- 8. Capteur de mesure d'une grandeur physique comprenant au moins : - une membrane (32) d'un transducteur selon l'une des revendications 2 à 5 et 7, sensible à une contrainte extérieure représentative de ladite grandeur physique à mesurer ; et - des moyens de détection aptes à fournir un signal représentatif de la déformation de cette membrane sous l'effet de cette contrainte. 25
- 9. Capteur de mesure selon la revendication 8, comprenant : - une première membrane (421) d'un premier transducteur selon l'une des revendications 2 à 5 et 7, sensible à une première contrainte extérieure représentative d'une première grandeur physique ; 30 - une deuxième membrane (422) d'un deuxième transducteur selon l'une des revendications 2 à 5 et 7, de dimensions sensiblement identique à la première membrane, sensible à une deuxième contrainte extérieure représentative d'une deuxième grandeur physique de même type que la première grandeur physique ; et - des moyens de détection aptes à fournir un signal représentatif de la différence entre les 35 première et deuxième contraintes. 22 3031639 23 5
- 10. Capteur de mesure d'une grandeur physique comprenant au moins : - un résonateur (31) d'un transducteur selon l'une des revendications 1 et 3 à 6, sensible à une contrainte extérieure représentative de ladite grandeur physique à mesurer ; - des moyens d'excitation pour mettre en vibration le résonateur à sa fréquence propre de résonance ; et - des moyens de détection apte à fournir un signal représentatif de la fréquence de vibration du résonateur.
- 11. Capteur de mesure selon la revendication 10, comprenant : - un premier résonateur (411) d'un premier transducteur selon l'une des revendications 1 et 3 à 6, sensible à une première contrainte extérieure représentative d'une grandeur physique à mesurer ; - un deuxième résonateur (412) d'un deuxième transducteur selon l'une des revendications 1 et 3 à 6, dont la poutre est de dimensions sensiblement identiques à celle du premier transducteur, ce deuxième transducteur étant sensible à une deuxième contrainte extérieure égale et de direction opposée à la première contrainte ; - des moyens d'excitation pour mettre en vibration les résonateurs à leur fréquence propre de résonance respective ; et - des moyens de détection aptes à fournir un signal représentatif de la différence de fréquence de vibration entre les résonateurs. 25
- 12. Capteur de mesure selon la revendication 10, caractérisé : - en ce que le capteur de mesure est un capteur de pression ; - et en ce qu'il comprend en outre un substrat (30) portant une membrane (32) apte à se déformer sous l'effet d'une pression qui lui est appliquée, l'une des extrémités opposées 30 de la poutre (31) du transducteur est fixée à la membrane (32), l'autre extrémité est fixée sur une partie fixe et indéformable dudit substrat (40).
- 13. Capteur de mesure selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite membrane (32) est selon l'une des revendications 2 à 5 et 7. 35
- 14. Capteur de mesure selon la revendication 11, caractérisé : - en ce que ledit capteur est un capteur de pression ; 3031639 24 5 - en ce qu'il comprend en outre un substrat (40) portant des première et seconde membranes (421, 422) de premier et deuxième transducteurs selon l'une des revendications 2 à 5 et 7, de dimensions sensiblement identiques entre elles, au moins ladite première membrane (421) étant apte à se déformer sous l'effet d'une première pression qui lui est appliquée ; 10 - et en ce que : - les poutres (411, 412) des premier et deuxième transducteurs s'étendent parallèlement entre elles, chaque poutre présentant des première et secondes extrémités opposées couplées respectivement aux première et seconde membranes (421, 422) ;
- 15 - les premières extrémités des poutres (411, 412) sont couplées mécaniquement à la première membrane (421), de manière symétrique par rapport au centre de la première membrane, et les secondes extrémités des poutres (411, 412) sont couplées mécaniquement à la seconde membrane (422), de manière 20 symétrique par rapport au centre de la seconde membrane. 15. Capteur de mesure selon la revendication 14, caractérisé en ce que la seconde membrane (422) est déformable sous l'effet d'une seconde pression qui lui est appliquée.
- 16. Capteur de mesure selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que les première et seconde membranes (421, 422) sont coplanaires en l'absence de contrainte extérieure.
- 17. Capteur de mesure selon l'une des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que : - la première membrane est formée de première et deuxième demi- membranes (421a, 42 lb) distinctes, ces première et deuxième demi-membranes étant découplées entre elles et étant destinées à être soumise à une même contrainte ; - la deuxième membrane est formée de troisième et quatrième demi- membranes (422a, 422b) distinctes, ces troisième et quatrième demi- membranes étant découplées entre elles et étant destinées à être soumise à une même autre contrainte; 3031639 25 5 - les premières extrémités des poutres (411, 412) des premier et deuxième transducteurs sont couplées respectivement aux première et deuxième demi-membranes (421a, 42 lb) ; - les secondes extrémités des poutres (411, 412) des premier et deuxième transducteurs sont couplées respectivement aux troisième et quatrième 10 demi-membranes (422a, 422b).
- 18. Capteur de mesure selon la revendication 11, caractérisé : - en ce que le capteur est un accéléromètre comprenant au moins une masse sismique suspendue et guidée, se déplaçant linéairement sous l'effet d'une 15 accélération, - et en ce que les premier et deuxième transducteurs sont de préférence liés chacun en opposition à la masse sismique au niveau de l'une de leurs extrémités et à un point fixe au niveau de l'autre extrémité. 20
- 19. Capteur de mesure selon la revendication 11, caractérisé : - en ce que le capteur est un accéléromètre comprenant au moins deux masses sismiques suspendues et guidées, se déplaçant linéairement sous l'effet d'une accélération, - et en ce que les premier et deuxième transducteurs sont de préférence liés 25 chacun à une de ces deux masses sismiques au niveau de l'une de leurs extrémités et à un point fixe au niveau de l'autre extrémité.
- 20. Capteur de mesure selon la revendication 11, caractérisé : - en ce que le capteur est un gyromètre comprenant au moins deux systèmes 30 de masses sismiques suspendues et guidées, activée en opposition de phase et se déplaçant linéairement à 90° sous l'effet d'une vitesse angulaire ; - et en ce que les premier et deuxième transducteurs sont liés chacun à un de ces deux systèmes de masses sismiques, ou aux extrémités d'un levier de couplage entre ces dits systèmes, au niveau de l'une de leurs extrémités et 35 à un point fixe au niveau de l'autre extrémité.
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| US6557419B1 (en) * | 1996-12-31 | 2003-05-06 | Honeywell International Inc. | Zero TCF thin film resonator |
| US20050281137A1 (en) * | 2002-11-25 | 2005-12-22 | Claude Bourgeois | Watch hairspring and method for making same |
| US20110221307A1 (en) * | 2008-11-26 | 2011-09-15 | Freescale Semiconductors, Inc. | Electromechanical transducer device and method of forming a electromechanical transducer device |
-
2015
- 2015-01-14 FR FR1550292A patent/FR3031639B1/fr active Active
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