WO2016001590A1 - Module sensible et centrale de mesure - Google Patents

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WO2016001590A1
WO2016001590A1 PCT/FR2015/051822 FR2015051822W WO2016001590A1 WO 2016001590 A1 WO2016001590 A1 WO 2016001590A1 FR 2015051822 W FR2015051822 W FR 2015051822W WO 2016001590 A1 WO2016001590 A1 WO 2016001590A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensitive
housing
electrical connections
axis
elements
Prior art date
Application number
PCT/FR2015/051822
Other languages
English (en)
Inventor
Antoine FILIPE
Valérie VOLANT
Original Assignee
Tronic's Microsystems
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tronic's Microsystems filed Critical Tronic's Microsystems
Publication of WO2016001590A1 publication Critical patent/WO2016001590A1/fr

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/0032—Packages or encapsulation
    • B81B7/0074—3D packaging, i.e. encapsulation containing one or several MEMS devices arranged in planes non-parallel to the mounting board
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0228—Inertial sensors
    • B81B2201/0235—Accelerometers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0228—Inertial sensors
    • B81B2201/0242—Gyroscopes

Definitions

  • the present invention relates to measuring devices incorporating electromechanical systems of micrometric dimensions, also designated in English by the acronym "MEMS" for "microelectromechanical Systems".
  • MEMS microelectromechanical Systems
  • the present invention relates to a sensitive module comprising at least two single-axis sensitive elements and to a measurement unit such as an inertia central link.
  • measurement sensors to detect physical phenomena experienced by the object to which these sensors are reported. Some of these measurement sensors can be qualified as directional or non-directional sensors.
  • Sensors qualified directional are formed of a sensitive element having at least one preferred axis of operation called "sensitive axis". These directional sensors include various types of inertial sensors such as gyrometers and accelerometers, but also field sensors such as magnetometers. Sensors qualified as non-directional are sensors free of sensitive axes, such as pressure sensor, temperature sensor, etc.
  • the high-performance directional sensors are mostly single-axis sensors.
  • the sensitive elements are carried in a case which ensures a hermeticity during the lifetime of the product.
  • the sensitive elements of MEMS inertial sensors are mainly obtained by substrate etching techniques, such as for example a deep etching technique known by the acronym DRIE (for "Deep Reactive Ion Etching").
  • DRIE Deep Reactive Ion Etching
  • This etching technique generally leads to optimal detection and actuation preferentially in the plane of the substrate.
  • these high-performance mono-axis directional sensors are generally used for the production of inertial units which require three sensitive measurement axes for each type of directional sensors, for example three sensitive axes for the gyrometer and three sensitive axes for the accelerometer.
  • the three sensitive axes of the same type of directional sensors are oriented to form the axes of a three-dimensional measurement mark, and the combination of measurements relating to each of these sensitive axes makes it possible in particular to obtain measurements of speed or of linear or angular acceleration of the measurement reference with respect to a predefined reference system, and thus to determine the behavior of an object to which the inertial unit is reported.
  • an objective of the invention is to propose a novel sensitive module solution that makes it possible, in particular, to produce a less bulky inertial unit with respect to the solution of the prior art presented above.
  • the present invention thus relates to a sensitive module formed of a housing in which there are reported sensitive elements, at least two, each having a sensitive axis.
  • the outer portions of two lateral faces of the housing and a main face of the housing are provided with a first set of external electrical connections connected in whole or in part to the sensitive elements.
  • the main and side faces are adjacent and perpendicular to each other and each of the electrical connections of the first set of electrical connections extends on the main face and on one of the two side faces.
  • the sensitive elements are all of different types, and the sensitive axes are all perpendicular to each other.
  • One of the sensitive axes is perpendicular to the main face of the housing, another of the sensitive axes is parallel to the main face.
  • the sensitive module of the invention comprises single-axis sensitive elements, described as directional, distinct and all of different types. There are therefore no more sensitive elements of the same type in the module of the invention.
  • These sensitive elements are arranged in a housing provided with external electrical connections for the electrical connection of the elements contained in the housing with the outside.
  • these electrical connections are made on the main face and on the two adjacent side faces, and each of these external electrical connections extends continuously on either side of a common edge to the main face of the housing. and at one of two adjacent side faces.
  • sensitive element any structure able to react to a physical phenomenon that is applied to it.
  • a sensor generally consists of a sensitive element associated with mechanical and / or electrical means for converting the physical phenomenon used in the sensitive element into an exploitable electrical signal.
  • the "type" of the sensing element is defined by the nature of the physical phenomenon to which it is sensitive or by the type of measurement for which it is intended, eg angular velocity, acceleration measurement, magnetic field measurement, pressure measurement, temperature measurement, etc ...
  • the module comprises a plurality of sensitive elements, only one sensitive element of a particular type is disposed in this module.
  • the solution of the invention can therefore be related to an elementary module that allows the realization of different 2D or 3D sensors for example, such as accelerometers, gyrometers or inertial units.
  • the implementation of such sensors is thus made easy since it is sufficient to have the necessary number of elementary modules on a support.
  • an inertial unit provided with a 3D accelerometer and a 3D gyrometer, it is sufficient to have on one side of a support, three elementary modules each comprising a single-axis accelerometer and single-axis gyrometer.
  • the particular orientation of the sensitive axes with respect to a main face of the housing and the particular arrangement of the electrical connections on three adjacent faces of the housing allow a plurality of sensitive modules to be mounted on the same surface of a support such as a printed circuit board.
  • the housing of the sensitive module can be placed on the support according to the three faces which are provided with electrical connections.
  • the sensitive module of the present invention thus combines both freedom in the orientation of the sensitive axes and flexibility in the electrical connection. It also offers modularity, flexibility and ease in the realization of inertial unit mo ins vo light.
  • the outer portions of the two side faces of the housing and an opposite face parallel to the main face may further be provided with a second set of external electrical connections connected in whole or in part to at least one of the sensitive elements.
  • Each of the electrical connections of this second set extends on the opposite face and on one of these two lateral faces.
  • these electrical connections of this second set are made on the opposite face and on the two adjacent side faces, and each of these external electrical connections extends continuously on either side of an edge. common to the opposite face and to one of these two adjacent lateral faces.
  • this second set of connections allows a greater number of connections and greater flexibility in the positioning of the sensitive module on a support as well as in the orientation of the sensitive axes.
  • the sensitive module may further comprise a third sensitive element also carried in the housing.
  • This third sensitive element is of different type to the two previous sensitive elements, and also has a sensitive axis.
  • this third sensitive element can also be connected to all or part of the external electrical connections of the first and / or second set.
  • the three sensitive axes are preferably perpendicular to one another, and according to another variant, the sensitive axis of the third sensitive element is preferably parallel to the main face of the housing.
  • the sensitive module may further comprise at least one non-directional sensitive element connected to all or part of said external electrical connections.
  • this non-directional sensitive element may be a pressure sensor, a GNSS-type geographical position signal sensor (English acronym for "Global Navigation Satellite System”), etc.
  • all or part of the sensitive elements contained in the housing may be arranged side by side or stacked on each other in a perpendicular direction to the main face.
  • all or part of the electronic circuits for example a processor, useful for the operation of the two sensitive elements can also be carried in the housing, and all or part of the external electrical connections of the first set and / or the second set are connected to these electronic circuits.
  • each electronic circuit can also be electrically connected to the sensitive elements with which it cooperates.
  • all or part of these electronic circuits and all or part of the sensitive elements can be arranged on each other in a direction perpendicular to the main face.
  • an inertial sensor such as a single-axis accelerometer or a single-axis gyro, or a single-axis magnetometer.
  • the housing may be made of compatible material or adapted to the application in which it is implemented.
  • the housing can be ceramic.
  • the invention also relates to a measurement unit comprising at least three sensitive modules each being as defined above. These three modules are identical to each other at least in terms of the type of sensitive elements. Moreover, these sensitive modules are preferably mounted on the same face or surface of a plane support, for example a printed circuit board. More particularly, the sensitive axes of the sensitive elements of the same type each form an axis of a reference three-dimensional reference.
  • the plane support is provided with connection means capable of cooperating with the external electrical connections of these sensitive modules. DESCRIPTION OF THE FIGURES
  • Figure 1 is a perspective view of a schematic representation of a sensitive module comprising two single-axis sensitive elements according to one embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a perspective view of a schematic representation of an inertial unit integrating several sensitive modules of FIG. 1;
  • FIGS. 3A and 3B are side views schematically illustrating various means for connecting a sensitive module of the invention to a support;
  • FIG. 4 is a perspective view of a schematic representation of a sensitive module comprising two single-axis sensitive elements according to another embodiment of the invention.
  • Figure 5 is a perspective view of a schematic representation of the housing of the invention provided with two rows of external connectors according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 6 is a perspective view of a schematic representation of the sensitive module of FIG. 1, also incorporating an integrated circuit chip according to a variant of the invention.
  • Figure 7 is a perspective view of a schematic representation of the sensitive module of Figure 4 further integrating an integrated circuit chips according to a variant of the invention.
  • the solution of the invention consists in particular in assembling single-axis sensitive elements of different types in a single housing.
  • the sensitive elements are made according to MEMS technology and the housing is ceramic and in the form of a rectangular parallelepiped.
  • a particularity of the invention lies in the fact that the single-axis sensitive elements are all of different types and are arranged in the housing relative to one of the faces of this housing, serving as a reference face.
  • at least two of the sensitive axes are perpendicular to each other and at least one of the sensitive axes is oriented perpendicularly to this reference face.
  • One solution may consist in producing alignment patterns on the inner and outer surfaces of the reference face, so as to increase the orientation accuracy of the sensitive axes between them.
  • the housing used has the particularity of being provided with external electrical connection zones on at least three adjacent faces of the housing comprising the reference face and two lateral faces adjacent to this reference face.
  • These connection areas form home ranges or connection pads, commonly called “land” or “pad” in English, which ensure the electrical connection of the elements contained in the housing with the outside.
  • connection zones generally obtained by electrolytic deposition, do not therefore exceed the housing.
  • This type of case provided with external surface electrical connections is similar to the family of leadless microelectronic packages (that is to say without lugs or without pins) such as LCC (Anglo-Saxon acronym such as "Leadless Chip”). Carrier “), QFN (Anglo-Saxon acronym for” Quad Fiat Package No Leads ”) or LGA (acronym for" Land Grid Array ").
  • each electrical connection range of the housing of the invention is accessible on two of the three adjacent faces.
  • each electrical connection pad extends on the same common face, namely the reference face, and on one of the two lateral faces.
  • Each housing of the invention therefore contains single-axis sensitive elements of different types, for example different inertial sensitive elements.
  • three housings are positioned on a plane support along the three faces provided with connection zones so as to align the sensitive axes of the sensitive elements of the same type with the axes of a three-dimensional landmark.
  • each housing can be positioned on the support, for example a printed circuit board, or by direct soldering, or through the use of bases (or “socket” in English) or connection pads.
  • each sensitive element of the housing can be connected to the connection areas via the wire welding technique of micrometric dimension or "wire-bonding" in English. It is of course possible to implement the technique of welding "flip-chip” in English or “flipped chip” which allows a denser integration of components in the housing.
  • the sensitive module 1 comprises a housing 10 in which two sensitive elements 21, 22 of different types, each having a single sensitive axis 210, 220, are reported.
  • the two sensitive elements 21, 22 can for example be used respectively as a single-axis accelerometer and a single-axis gyrometer.
  • this housing 10 for example a rectangular parallelepiped of ceramic, three faces are identified, namely a main face 100 and two lateral faces 101, 102.
  • the main face 100 which is shown in the foreground in Figure 1, is the face used as a reference for the orientation of the sensitive axes. According to this embodiment, it is also the face on which at least all the sensitive elements having a sensitive axis rest. However, in another embodiment described later and illustrated in Figure 4, it is possible to perform a stack of different sensitive elements.
  • a sensitive axis 220 of one of the two sensitive elements 22 is oriented perpendicularly to the main face 100 of the housing 10 and the sensitive axis 210 of the other sensitive element 21 is oriented parallel to this main face. 100.
  • the two lateral faces 101, 102 are adjacent to each other and are perpendicular to the main face 100.
  • the housing 10 is provided with a first set of electrical connections 3 on the three faces identified above, namely the main face 100 and the two lateral faces 101, 102.
  • These electrical connections 3 are intended in particular to provide the electrical connection.
  • these connections 3 are accessible outside and inside the housing 10, and extend at the edges of the housing 10. More specifically, each of these electrical connections 3 extends on the main face 100 and on one of the two lateral faces 101, 102.
  • the various components contained in the housing, and in particular the sensitive elements 21, 22, may be connected in whole or in part to this first set of connections 3, for example via the soldering of micro-wires or "wire-bonding".
  • FIG. 2 illustrates an example of use of this sensitive module 1, namely the production of a datalogger, and in particular of an inertial unit.
  • each sensitive module therefore comprises a 1-axis accelerometer type sensitive element and a 1-axis gyrometer type sensitive element.
  • the sensitive axis of the 1-axis accelerometer is parallel to the main face of the housing and the sensitive axis of the 1-axis gyrometer is oriented perpendicular to the main face of the housing.
  • a first sensitive module 11 is welded to the support 5 by its main face 100, so that the sensitive axis Ax of its 1-axis accelerometer aligns with the axis x of the reference mark. reference 6 and that the sensitive axis Gz of its 1-axis gyrometer aligns with the axis z of the reference mark 6.
  • a second sensitive module 12 is welded to the support 5 by one of the two lateral faces 101 so that the sensitive axis Ay of its 1-axis accelerometer aligns with the y axis of the reference mark 6 and that the sensitive axis Gx of its 1-axis gyrometer aligns with the x-axis of the reference mark 6.
  • a third sensitive module 13 is also welded to the support by one of the two lateral faces 102 so that the sensitive axis Az of its 1-axis accelerometer aligns with the axis z of the reference mark 6 and that the sensitive axis Gy of its 1-axis gyrometer aligns with the y axis of the reference mark 6.
  • the sensitive modules can be welded directly to the support, but they can also be mounted on the support by other means, such as connection blocks 70 as shown in FIG. 3A or connection bases 71 as illustrated. in Figure 3B.
  • FIG. 4 Another embodiment of the sensitive module 1 is illustrated in FIG. 4.
  • the same elements of FIG. 1 and described above are evident, with the difference that in this case the sensitive elements 21, 22 are not all welded to the main face 100 of the housing, but stacked on each other in a direction perpendicular to the main face 100.
  • the orientation of the sensitive axes 210, 220 remains identical to the embodiment of Figure 1.
  • This configuration confers a greater overall thickness of the sensitive module, but the main surface decreasing, the overall size remains acceptable in relation to the desired objective.
  • the housing may also be provided with a second set of electrical connections 4 also accessible inside and outside the housing 10.
  • each electrical connection of this second assembly 4 extends on either side of a common edge to an opposite face 103 parallel to the main face and to one of the two lateral faces 101, 102 of the housing 10.
  • these electrical connections the second set 4 can also be connected to the sensitive elements or to electronic components contained in the housing 10. It is of course possible to provide an internal routing to the housing to ensure the connection between the connections of the second set 4 and those of the face main 100.
  • each electrical connection of the first and second sets occupies substantially the same surface in the two faces on which it extends.
  • the solution of the invention allows the realization of a sensor or a high-performance measurement module and in particular an inertial unit of reduced overall size.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

Module sensible (1) formé d'un boîtier (10) dans lequel sont reportés deséléments sensibles (21, 22) ayant chacun un axe sensible(210,220),les parties externes de deux faces latérales (101, 102) du boîtier et d'une face principale (100) du boîtier sont pourvues d'un premier ensemble (3) de connexions électriques externes reliées en tout ou parties aux éléments sensibles (21, 22), les faces principales et latérales (100, 101, 2) étant adjacentes et perpendiculaires les unes par rapport aux autres, chacune des 10 connexions électriques du premier ensemble (3) de connexions électriques s'étendant sur la face principale (100) et sur l'une des deux faces latérales (101, 102). Par ailleurs, les éléments (21, 22) sont tous de types différents, et les axes sensibles sont tous perpendiculaires entre eux,un des axes sensibles (220) étant perpendiculaire à la face principale(100)du boîtier, un autre des axes sensibles(210) étant parallèle à ladite face principale(100).

Description

MODULE SENSIBLE ET CENTRALE DE MESURE
DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte à des dispositifs de mesure intégrant des systèmes électromécaniques de dimensions micrométriques, également désignés en anglais par l'acronyme « MEMS » pour « microelectromechanical Systems ». En particulier, la présente invention se rapporte à un module sensible comprenant au moins deux éléments sensibles mono-axe et à une centrale de mesure telle qu'une centrale inertie lie.
ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE
De nombreuses applications mettent en œuvre des capteurs de mesure pour détecter des phénomènes physiques subis par l'objet auquel ces capteurs sont rapportés. Certains de ces capteurs de mesure peuvent être qualifiés de capteurs directionnels ou non-directionnels .
Les capteurs qualifiés de directionnels sont formés d'un élément sensible ayant au moins un axe privilégié de fonctionnement appelé « axe sensible ». On compte parmi ces capteurs directionnels différents types de capteurs inertiels tels que les gyromètres et les accéléromètres, mais également des capteurs de champs tels que les magnétomètres. Les capteurs qualifiés de non-directionnels sont des capteurs exempts d'axes sensibles, tels que capteur de pression, capteur de température, etc ...
Les capteurs directionnels de haute performance sont très majoritairement des capteurs mono-axe. Lors de l'assemblage, les éléments sensibles sont reportés dans un boîtier qui assure une herméticité pendant la durée de vie du produit. Par ailleurs, les éléments sensibles des capteurs inertiels MEMS sont majoritairement obtenus par des techniques de gravure de substrat, telles que par exemple une technique de gravure profonde connue sous l'acronyme DRIE (pour « Deep Reactive Ion Etching »). Cette technique de gravure conduit généralement à une détection et une actuation optimales préférentiellement dans le plan du substrat. Ceci conduit notamment à des accéléromètres avec axe sensible dans le plan du substrat et à des gyromètres avec axe sensible perpendiculaire au plan du substrat. En outre, ces capteurs directionnels mono-axe de haute performance sont généralement utilisés pour la réalisation de centrales inertielles qui requièrent trois axes sensibles de mesure pour chaque type de capteurs directionnels, par exemple trois axes sensibles pour le gyromètre et trois axes sensibles pour Paccéléromètre. Les trois axes sensibles d'un même type de capteurs directionnels sont orientés pour former les axes d'un repère tridimensionnel de mesure, et la combinaison des mesures relatives à chacune de ces axes sensibles permet notamment d'obtenir des mesures de vitesse ou d'accélération linéaire ou angulaire du repère de mesure par rapport à un référentiel prédéfini, et donc de déterminer le comportement d'un objet auquel la centrale inertielle est rapportée.
Une solution consiste donc à disposer sur une même carte de circuit imprimé, deux capteurs d'axes sensibles parallèles au plan de la carte et à disposer un troisième capteur d'axe sensible perpendiculaire à ce plan. Cependant, ce type de montage est source d'imprécision notamment dans le positionnement des axes sensibles entre eux, qui nécessite donc généralement de mettre en œuvre des solutions mécaniques ou logicielles de compensation de cette imprécision. Ceci conduit à un système globalement volumineux et complexe à mettre en œuvre. Une autre solution consiste également à reporter un capteur directionnel mono-axe de chaque type sur une carte de circuit imprimé de manière à former un module sensible, puis à assembler ces cartes perpendiculairement entre elles pour obtenir une centrale inertielle. La connexion électrique entre ces cartes est notamment assurée par des nappes flexibles ou par des soudures directes. On comprend bien que cette solution n'est pas idéale en termes de réduction d'encombrement, mais également en termes de fiabilité du fait d'un grand nombre de connexions électriques à réaliser pour connecter ces cartes entre elles.
Une autre solution est proposée par le document EP2455330 qui décrit un dispositif sensible dans lequel tous les éléments sensibles nécessaires à la réalisation d'un capteur de mesure sont encapsulés dans même et unique boîtier pourvu de connexions électriques internes et externes reliant électriquement les différents éléments sensibles entre eux. Cependant, cette solution nécessite de définir au préalable, en amont de la fabrication du dispositif, l'application à laquelle le dispositif sera destiné. On comprend bien que le nombre et le type d'éléments sensibles à disposer dans le boîtier diffère selon que l'on souhaite réaliser un accéléromètre 2D, un accéléromètre 3D ou encore une centrale inertielle. EXPOSE DE L'INVENTION
Dans ce contexte, un objectif de l'invention est de proposer une nouvelle solution de module sensible permettant notamment la réalisation de centrale inertielle moins volumineuse par rapport à la solution de l'art antérieur présentée ci-dessus.
La présente invention a ainsi pour objet un module sensible formé d'un boîtier dans lequel sont reportés des éléments sensibles, au moins deux, ayant chacun un axe sensible. Les parties externes de deux faces latérales du boîtier et d'une face principale du boîtier sont pourvues d'un premier ensemble de connexions électriques externes reliées en tout ou parties aux éléments sensibles. Par ailleurs, les faces principales et latérales sont adjacentes et perpendiculaires les unes par rapport aux autres et chacune des connexions électriques du premier ensemble de connexions électriques s'étend sur la face principale et sur l'une des deux faces latérales.
Selon l'invention, les éléments sensibles sont tous de type différent, et les axes sensibles sont tous perpendiculaires entre eux. Un des axes sensibles est perpendiculaire à la face principale du boîtier, un autre des axes sensibles est parallèle à la face principale.
En d'autres termes, le module sensible de l'invention comprend des éléments sensibles mono-axe, qualifiés de directionnels, bien distincts et tous de type différent. Il n'y a donc pas plusieurs éléments sensibles d'un même type dans le module de l'invention. Ces éléments sensibles sont disposés dans un boîtier pourvu de connexions électriques externes destinés à la mise en liaison électrique des éléments contenus dans le boîtier avec l'extérieur. En particulier, ces connexions électriques sont réalisées sur la face principale et sur les deux faces latérales adjacentes, et chacune de ces connexions électriques externes s'étend de manière continue de part et d'autre d'une arête commune à la face principale du boîtier et à l'une des deux faces latérales adjacentes.
On entend par élément sensible toute structure apte à réagir à un phénomène physique qui lui est appliqué. Un capteur est généralement constitué d'un élément sensible associé à des moyens mécaniques et/ou électriques pour convertir le phénomène physique mis à profit dans l'élément sensible en un signal électrique exploitable. Par ailleurs, le « type » de l'élément sensible, qu'il soit directionnel ou non- directionnel, est défini par la nature du phénomène physique auquel il est sensible ou par le type de mesure auquel il est destiné, par exemple mesure de la vitesse angulaire, mesure de l'accélération, mesure du champ magnétique, mesure de la pression, mesure de la température, etc...
Ainsi, bien que le module comprenne plusieurs éléments sensibles, un seul et unique élément sensible d'un type particulier est disposé dans ce module. La solution de l'invention peut donc s'apparenter à un module élémentaire qui permet la réalisation de différents capteurs 2D ou 3D par exemple, tels que des accéléromètres, des gyromètres ou des centrales inertielles. La mise en œuvre de tels capteurs est ainsi rendue aisée puisqu'il suffit de disposer le nombre nécessaire de modules élémentaires sur un support. Par exemple, pour une centrale inertielle pourvue d'un accéléromètre 3D et d'un gyromètre 3D, il suffit de disposer sur une face d'un support, trois modules élémentaires comprenant chacun un accéléromètre mono-axe et gyromètre mono-axe.
Par ailleurs, l'orientation particulière des axes sensibles par rapport à une face principale du boîtier et la disposition particulière des connexions électriques sur trois faces adjacentes du boîtier autorisent un montage de plusieurs modules sensibles sur une même surface d'un support tel qu'une carte de circuit imprimé. En particulier, le boîtier du module sensible peut être placé sur le support selon les trois faces qui sont pourvues de connexions électriques. Cette solution permet d'orienter convenablement les axes sensibles de plusieurs modules sensibles pour former les axes d'un même repère tridimensionnel de mesure, et de garantir une liaison électrique aisée avec le support.
Le module sensible de la présente invention allie donc à la fois une liberté dans l'orientation des axes sensibles et une flexibilité dans la connexion électrique. Il offre également modularité, souplesse et facilité dans la réalisation de centrale inertielle mo ins vo lumineuse .
Selon une variante, il est également possible de prévoir un deuxième ensemble de connexions électriques externes distinct du premier ensemble. Par exemple, les parties externes des deux faces latérales du boîtier et une face opposée parallèle à la face principale peuvent en outre être pourvues d'un deuxième ensemble de connexions électriques externes reliées en tout ou partie à au moins l'un des éléments sensibles. Chacune des connexions électriques de ce deuxième ensemble s'étend sur la face opposée et sur l'une de ces deux faces latérales.
En d'autres termes, ces connexions électriques de ce deuxième ensemble sont réalisées sur la face opposée et sur les deux faces latérales adjacentes, et chacune de ces connexions électriques externes s'étend de manière continue de part et d'autre d'une arête commune à la face opposée et à l'une de ces deux faces latérales adjacentes.
L'ajout de ce deuxième ensemble de connexions autorise un plus grand nombre de connexions et une plus grande flexibilité dans le positionnement du module sensible sur un support ainsi que dans l'orientation des axes sensibles.
Selon un mode de réalisation, le module sensible peut en outre comprendre un troisième élément sensible reporté également dans le boîtier. Ce troisième élément sensible est de type différent aux deux éléments sensibles précédent, et possède également un axe sensible. Par ailleurs, ce troisième élément sensible peut également être relié à tout ou partie des connexions électriques externes du premier et/ou du deuxième ensemble. Selon une variante, les trois axes sensibles sont de préférence perpendiculaires entre eux, et selon une autre variante, l'axe sensible du troisième élément sensible est de préférence parallèle à la face principale du boîtier.
Selon un autre mode de réalisation, le module sensible peut en outre comprendre au moins un élément sensible non-directionnel relié à tout ou partie desdites connexions électriques externes. Par exemple, cet élément sensible non-directionnel peut être un capteur de pression, un capteur de signal de position géographique de type GNSS (acronymes anglo-saxon pour « Global Navigation Satellite System»), etc...
En pratique, pour réduire l'encombrement du module sensible, tout ou partie des éléments sensibles contenus dans le boîtier, qu'ils soient directionnels ou non- directionnels, peuvent être disposés côte à côte ou empilés les uns sur les autres selon une direction perpendiculaire à la face principale.
Par ailleurs, tout ou partie des circuits électroniques, par exemple un processeur, utiles au fonctionnement des deux éléments sensibles peuvent également être reportés dans le boîtier, et tout ou partie des connexions électriques externes du premier ensemble et/ou du deuxième ensemble sont reliées à ces circuits électroniques. Bien entendu, chaque circuit électronique peut également être connecté électriquement aux éléments sensibles avec lequel il coopère.
De même, pour optimiser l'encombrement du module sensible, tout ou partie de ces circuits électroniques et tout ou partie des éléments sensibles peuvent être disposés les uns sur les autres selon une direction perpendiculaire à la face principale.
Parmi les applications de l'invention, on peut prévoir qu'au moins l'un des éléments sensibles forme un capteur inertiel tel qu'un accéléromètre mono-axe ou un gyromètre mono-axe, ou un magnétomètre mono-axe.
Parmi les combinaisons d'éléments sensibles au sein d'un même boîtier, on peut prévoir :
un accéléromètre mono-axe et un gyromètre mono-axe ; ou
- un accéléromètre mono-axe et un magnétomètre mono-axe ; ou
un gyromètre mono-axe et un magnétomètre mono-axe ; ou
un accéléromètre mono-axe, un gyromètre mono-axe et un magnétomètre mono- axe. En pratique, le boîtier peut être réalisé en matériau compatible ou adapté à l'application dans laquelle il est mis en œuvre. Par exemple, le boîtier peut être en céramique.
L'invention a également pour objet une centrale de mesure comprenant au moins trois modules sensibles chacun étant tel que défini ci-dessus. Ces trois modules sont identiques entre eux au moins en termes de type d'éléments sensibles. Par ailleurs, ces modules sensibles sont de préférence montés sur une même face ou surface d'un support plan, par exemple une carte de circuit imprimé. Plus particulièrement, les axes sensibles des éléments sensibles du même type forment chacun un axe d'un repère tridimensionnel de référence.
Avantageusement, le support plan est pourvu de moyens de connexion aptes à coopérer avec les connexions électriques externes de ces modules sensibles. DESCRIPTION DES FIGURES
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple indicatif et non limitatif, en relation avec les figures annexées dans lesquels :
la figure 1 est une vue en perspective d'une représentation schématique d'un module sensible comprenant deux éléments sensibles mono-axe selon un mode de réalisation de l'invention ;
la figure 2 est une vue en perspective d'une représentation schématique d'une centrale inertielle intégrant plusieurs modules sensibles de la figure 1 ;
les figures 3 A et 3 B sont des vues latérales illustrant schématiquement différents moyens de connecter un module sensible de l'invention à un support ;
la figure 4 est une vue en perspective d'une représentation schématique d'un module sensible comprenant deux éléments sensibles mono-axe selon un autre mode de réalisation de l'invention ;
la figure 5 est une vue en perspective d'une représentation schématique du boîtier de l'invention pourvue de deux rangées de connectiques externes selon une autre variante de l'invention ;
la figure 6 est une vue en perspective d'une représentation schématique du module sensible de la figure 1 intégrant en outre une puces de circuits intégrés selon une variante de l'invention ; et
la figure 7 est une vue en perspective d'une représentation schématique du module sensible de la figure 4 intégrant en outre une puces de circuits intégrés selon une variante de l'invention.
On notera que dans ces figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou analogues et les différentes structures ne sont pas à l'échelle exacte. Par ailleurs, seuls les éléments indispensables à la compréhension de l'invention sont représentés sur ces figures pour des raisons de clarté.
EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION
De manière générale, pour parvenir à la réalisation d'une centrale de mesure, et notamment d'une centrale inertielle, moins volumineuse, typiquement de dimensions latérales de l'ordre de quelques centimètres, par exemple 5x4x2cms, avec un encombrement inférieur à une cinquantaine de cm3, par exemple 40cm3, la solution de l'invention consiste notamment à assembler des éléments sensibles mono-axe de différents types dans un seul boîtier.
En pratique, les éléments sensibles sont réalisés selon la technologie MEMS et le boîtier est en céramique et sous forme d'un parallélépipède rectangle.
Une particularité de l'invention réside dans le fait que les éléments sensibles mono-axe sont tous de type différent et sont disposés dans le boîtier par rapport à une des faces de ce boîtier, servant de face de référence. En particulier, au moins deux des axes sensibles sont perpendiculaires entre eux et au moins l'un des axes sensibles est orienté perpendiculairement à cette face de référence. En outre, pour limiter voire éviter toute erreur de positionnement des éléments sensibles dans le boîtier, et toute erreur de positionnement du boîtier sur un support, il est possible de prévoir des repères visuels de positionnement à l'intérieur et à l'extérieur du boîtier. Une solution peut consister à réaliser des motifs d'alignement sur les surfaces interne et externe de la face de référence, de manière à augmenter la précision d'orientation des axes sensibles entre elles.
Par ailleurs, le boîtier utilisé a la particularité d'être pourvu de zones de connexion électrique externes sur au moins trois faces adjacentes du boîtier comprenant la face de référence et deux faces latérales adjacentes à cette face de référence. Ces zones de connexions forment des plages d'accueil ou plages de connexion, communément appelés « land » ou « pad » en anglais, qui assurent la mise en liaison électrique des éléments contenus dans le boîtier avec l'extérieur. Ces zones de connexion, généralement obtenues par dépôt électrolytique ne dépassent donc pas du boîtier. Ce type de boîtier pourvu de connexions électriques externes surfaciques est similaire à la famille des boîtiers microélectroniques de type « leadless » (c'est-à-dire sans pattes ou sans broches) tels que LCC (acronyme anglo-saxon tel que « Leadless Chip Carrier »), QFN (acronyme anglo-saxon pour « Quad Fiat Package No Leads ») ou LGA (acronyme anglo-saxon pour « Land Grid Array »).
En outre, chaque plage de connexion électrique du boîtier de l'invention est accessible sur deux des trois faces adjacentes. En particulier, chaque plage de connexion électrique s'étend sur une même face commune, à savoir la face de référence, et sur l'une des deux faces latérales. Chaque boîtier de l'invention contient donc des éléments sensibles mono-axe de différents types, par exemple différents éléments sensibles inertiels. Ainsi, pour former une centrale de mesure, et notamment une centrale inertielle, on positionne trois boîtiers sur un support plan selon les trois faces pourvues de zones de connexion de manière à aligner les axes sensibles des éléments sensibles de même type avec les axes d'un repère tridimensionnel.
En pratique, chaque boîtier peut être positionné sur le support, par exemple une carte de circuit imprimé, soit par soudure directe, soit via l'utilisation d'embases (ou « socket » en anglais) ou de cales de connexion. En outre, chaque élément sensible du boîtier peut être connecté aux zones de connexion via la technique de soudure de fils de dimension micrométrique ou « wire-bonding » en anglais. Il est bien entendu possible de mettre en œuvre les techniques de soudage « flip-chip » en anglais ou « puce retournée » qui autorise une intégration plus dense de composants dans le boîtier.
Ainsi, selon un mode de réalisation illustré à la figure 1, le module sensible 1 comprend un boîtier 10 dans lequel sont reportés deux éléments sensibles 21, 22 de types différents ayant chacun un unique axe sensible 210, 220. Dans ce mode de réalisation particulier, les deux éléments sensibles 21, 22 peuvent par exemple servir respectivement d'accéléromètre mono-axe et de gyromètre mono-axe.
Dans ce boîtier 10, un parallélépipédique rectangle en céramique par exemple, on identifie trois faces, à savoir une face principale 100 et deux faces latérales 101, 102.
La face principale 100 qui est représentée au premier plan sur la figure 1, est la face utilisée comme référence pour l'orientation des axes sensibles. Selon ce mode de réalisation, c'est également la face sur laquelle reposent au moins tous les éléments sensibles ayant un axe sensible. Cependant, dans un autre mode de réalisation décrit ultérieurement et illustré à la figure 4, il est possible de réaliser un empilement des différents éléments sensibles.
Comme représenté sur la figure 1, un axe sensible 220 d'un des deux éléments sensibles 22 est orienté perpendiculairement à la face principale 100 du boîtier 10 et l'axe sensible 210 de l'autre élément sensible 21 est orienté parallèlement à cette face principale 100. Les deux faces latérales 101, 102 sont adjacentes entre elles et sont perpendiculaires à la face principale 100.
Le boîtier 10 est pourvu d'un premier ensemble de connexions électriques 3 sur les trois faces identifiées ci-dessus, à savoir la face principale 100 et les deux faces latérales 101, 102. Ces connexions électriques 3 sont notamment destinées à assurer la liaison électrique des composants contenus dans le boîtier avec l'extérieur. En particulier, ces connexions 3 sont accessibles à l'extérieur et à l'intérieur du boîtier 10, et s'étendent au niveau des arêtes du boîtier 10. Plus précisément, chacune de ces connexions électriques 3 s'étend sur la face principale 100 et sur l'une des deux faces latérales 101, 102. Bien entendu, il est également possible de prévoir un ensemble de pistes de connexion sur la surface interne de la face principale 100 afin de connecter électriquement certaines des connexions électriques 3 entre elles et/ou pour assurer la connexion électrique entre les différents éléments contenus dans le boîtier. Les différents composants contenus dans le boîtier, et notamment les éléments sensibles 21, 22, peuvent être connectés en tout ou partie à ce premier ensemble de connexions 3, via par exemple la soudure de micro-fils ou « wire-bonding ».
La figure 2 illustre un exemple d'utilisation de ce module sensible 1, à savoir la réalisation d'une centrale de mesure, et notamment d'une centrale inertielle. Dans cet exemple particulier, pour une centrale inertielle avec accéléromètre 3 -axes et gyromètre 3 -axes, chaque module sensible comprend donc un élément sensible de type accéléromètre 1-axe et un élément sensible de type gyromètre 1-axe. L'axe sensible de Γ accéléromètre 1-axe est parallèle à la face principale du boîtier et l'axe sensible du gyromètre 1-axe est orienté perpendiculairement à la face principale du boîtier. Il suffit alors de fixer ces trois modules sur une même surface d'un support 5 plan, par exemple une carte de circuit imprimé, selon l'une des faces pourvues de connexion électrique de sorte que les trois axes des éléments sensibles d'un même type s'alignent sur les axes d'un repère tridimensionnel de référence 6. Les trois axes de ce repère de référence 6 sont respectivement nommés x, y et z.
Ainsi, comme illustré sur la figure 2, un premier module sensible 11 est soudé au support 5 par sa face principale 100, de sorte que l'axe sensible Ax de son accéléromètre 1-axe s'aligne avec l'axe x du repère de référence 6 et que l'axe sensible Gz de son gyromètre 1-axe s'aligne avec l'axe z du repère de référence 6. De même, un deuxième module sensible 12 est soudée au support 5 par une des deux faces latérales 101 de sorte que l'axe sensible Ay de son accéléromètre 1-axe s'aligne avec l'axe y du repère de référence 6 et que l'axe sensible Gx de son gyromètre 1-axe s'aligne avec l'axe x du repère de référence 6.
Un troisième module sensible 13 est également soudé au support par une des deux faces latérales 102 de sorte que l'axe sensible Az de son accéléromètre 1-axe s'aligne avec l'axe z du repère de référence 6 et que l'axe sensible Gy de son gyromètre 1-axe s'aligne avec l'axe y du repère de référence 6.
En pratique, les modules sensibles peuvent être soudés directement au support, mais ils peuvent également être montés sur le support par d'autres moyens, comme par exemple des cales de connexion 70 comme illustré sur la figure 3A ou des embases de connexion 71 comme illustré sur la figure 3B.
Un autre mode de réalisation du module sensible 1 est illustré à la figure 4. On retrouve bien évidemment les mêmes éléments de la figure 1 et décrits précédemment, à la différence que dans ce cas de figure les éléments sensibles 21, 22 sont non pas tous soudés à la face principale 100 du boîtier, mais empilés les uns sur les autres selon une direction perpendiculaire à la face principale 100. L'orientation des axes sensibles 210, 220 reste identique au mode de réalisation de la figure 1. Cette configuration confère une épaisseur globale plus forte du module sensible, mais la surface principale diminuant, l'encombrement global reste acceptable par rapport à l'objectif recherché. Dans une variante illustrée à la figure 5, le boîtier peut également être pourvu d'un deuxième ensemble de connexions électriques 4 accessibles également à l'intérieur et à l'extérieur du boîtier 10. Comme pour le premier ensemble 3, chaque connexion électrique de ce deuxième ensemble 4 s'étend de part et d'autre d'une arête commune à une face opposée 103 parallèle à la face principale et à l'une des deux faces latérales 101, 102 du boîtier 10. Bien évidemment, ces connexions électriques du deuxième ensemble 4 peuvent également être reliées aux éléments sensibles ou à des composants électroniques contenus dans le boîtier 10. Il est bien entendu possible de prévoir un routage interne au boîtier pour assurer la liaison entre les connexions du deuxième ensemble 4 et celles de la face principale 100. En pratique, il est également possible d'intégrer plus d'éléments sensibles de différents types dans un même boîtier. Par exemple, il est possible de reporter dans le boîtier des éléments sensibles qualifiés de directionnels, c'est-à-dire ayant un axe sensible, mais également des éléments sensibles qualifiés de non-directionnels, comme par exemple des transducteurs pour la mesure d'une pression, ou des sondes de température.
Il est également possible de reporter dans le boîtier des puces de circuits intégrés 8 utiles au bon fonctionnement du module sensible 1. Ces circuits électroniques 8 peuvent bien entendu être soudés à la face principale 100 du boîtier (figure 6) ou être empilés avec les éléments sensibles 21, 22 du boîtier (figure 7). Ces circuits 8 peuvent également être reliés électriquement aux connexions électriques 3, 4 du boîtier.
Il est ainsi possible de mutualiser un circuit électronique pour les différents éléments sensibles reportés dans le boîtier. Ceci a notamment l'avantage de réduire le coût unitaire du module sensible et donc de la centrale de mesure.
De même, il est également possible de mutualiser d'autres composants externes généralement placé sur le support plan et donc de réduire l'encombrement global de la centrale de mesure.
Selon une autre variante, afin de dissiper l'énergie thermique générée par la puce de circuits intégrés, il est possible de prévoir un matériau additionnel assurant la conduction thermique entre la puce de circuits intégrés vers une face du boîtier ou du capot de fermeture du boîtier pour améliorer les performances du module sensible.
En pratique, chaque connexion électrique du premier et du deuxième ensemble occupe sensiblement la même surface dans les deux faces sur lesquelles elle s'étend.
En conclusion, la solution de l'invention permet la réalisation de capteur ou de module de mesure de haute performance et notamment une centrale inertielle d'encombrement global réduit

Claims

REVENDICATIONS
1. Module sensible (1) formé d'un boîtier (10) dans lequel sont reportés des éléments sensibles (21, 22) ayant chacun un axe sensible (210, 220), les parties externes de deux faces latérales (101 , 102) du boîtier et d'une face principale (100) du boîtier sont pourvues d'un premier ensemble (3) de connexions électriques externes reliées en tout ou parties aux éléments sensibles (21, 22), les faces principales et latérales (100, 101, 102) étant adjacentes et perpendiculaires les unes par rapport aux autres, chacune des connexions électriques du premier ensemble (3) de connexions électriques s'étendant sur la face principale (100) et sur l'une des deux faces latérales (101, 102),
caractérisé en ce que
les éléments sensibles (21, 22) sont tous de type différent ; et
les axes sensibles sont tous perpendiculaires entre eux, un des axes sensibles (220) étant perpendiculaire à la face principale (100) du boîtier, un autre des axes sensibles (210) étant parallèle à ladite face principale (100).
2. Module sensible selon la revendication 1, dans lequel les parties externes des deux faces latérales (101 , 102) du boîtier et d'une face opposée (103) parallèle à ladite face principale (100) sont en outre pourvues d'un deuxième ensemble (4) de connexions électriques externes reliées en tout ou partie à au moins l'un des éléments sensibles (21, 22), chacune des connexions électriques de ce deuxième ensemble (4) s'étendant sur ladite face opposée (103) et sur l'une desdites deux faces latérales (101, 102).
3. Module sensible selon l'une des revendications 1 à 2, comprenant en outre un troisième élément sensible de type différent auxdits deux éléments sensibles, et ayant un axe sensible, les trois axes sensibles du module sensible étant perpendiculaires entre eux ledit troisième élément sensible étant relié à tout ou partie desdites connexions électriques externes (3, 4) du boîtier (10).
4. Module sensible selon l'une des revendications 1 à 2, comprenant en outre un troisième élément sensible de type différent auxdits deux éléments sensibles, et ayant un axe sensible parallèle à ladite face principale (100), ledit troisième élément sensible étant relié à tout ou partie desdites connexions électriques externes (3, 4) du boîtier (10).
5. Module sensible selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant en outre au moins un élément sensible non-directionnel relié à tout ou partie desdites connexions électriques externes (3, 4) du boîtier (10).
6. Module sensible selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel tout ou partie des éléments sensibles (21, 22) sont disposés les uns sur les autres selon une direction perpendiculaire à ladite face principale (100).
7. Module sensible selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel au moins l'un des éléments sensibles (21, 22) est un capteur inertiel.
8. Module sensible selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel l'un au moins des éléments sensibles (21, 22) est un magnétomètre mono-axe.
9. Centrale de mesure caractérisée en ce qu'elle comprend trois modules sensibles (11, 12, 13) selon l'une des revendications 1 à 8, montés sur une même face d'un support (5) plan, les axes sensibles des éléments sensibles d'un même type formant chacun un axe d'un repère tridimensionnel de référence (6).
10. Centrale de mesure selon la revendication 9, dans laquelle ledit support (5) plan est pourvu de moyens de connexion aptes à coopérer avec les connexions électriques externes (3, 4) desdits modules sensibles (11, 12, 13).
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