FR2694403A1 - Electrostatic pendulum accelerometer e.g. for vehicle airbag actuation - has test electrode on side of silicon@ opposite to main electrode and applies test voltage between both electrodes - Google Patents
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Abstract
Description
ACCELEROMETRE PENDULAIRE ELECTROSTATIQUE A ELECTRODE DE TEST
ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL ACCELEROMETRE
La présente invention concerne les accéléromètres pendulaires électrostatiques non-asservis du type ayant un capteur constitué d'une culasse et d'un ensemble pendulaire monobloc ayant un cadre fixé à la culasse et un pendule plat relié au cadre par deux charnières alignées définissant un axe de basculement à distance du centre de gravité du pendule, le pendule portant, sur la face tournée vers la culasse, une première électrode s'étendant de part et d'autre de l'axe tandis que la culasse porte deux secondes électrodes placées symétriquement de part et d'autre de l'axe et ayant des moyens de mesure de la différence de capacité entre les condensateurs constitués chacun de la première électrode et de l'une des deux secondes électrodes.ELECTROSTATIC PENDULUM ACCELEROMETER WITH TEST ELECTRODE
AND METHOD FOR MANUFACTURING SUCH AN ACCELEROMETER
The present invention relates to non-controlled pendulum electrostatic accelerometers of the type having a sensor consisting of a cylinder head and a monoblock pendulum assembly having a frame fixed to the cylinder head and a flat pendulum connected to the frame by two aligned hinges defining an axis of tilting at a distance from the center of gravity of the pendulum, the pendulum carrying, on the face turned towards the cylinder head, a first electrode extending on either side of the axis while the cylinder head carries two second electrodes placed symmetrically on the side and on the other side of the axis and having means for measuring the difference in capacitance between the capacitors each consisting of the first electrode and one of the two second electrodes.
Lorsque le capteur est soumis à une accélération ayant une composante orthogonale au plan occupé au repos par le pendule, la dissymétrie de ce dernier provoque l'apparition d'une force qui fait tourner le pendule jusqu'à ce que son moment soit équilibré par le couple antagoniste exercé par les charnières. When the sensor is subjected to an acceleration having a component orthogonal to the plane occupied at rest by the pendulum, the asymmetry of the latter causes the appearance of a force which makes the pendulum rotate until its moment is balanced by the antagonistic couple exerted by the hinges.
On connaît déjà des accéléromètres de ce type qui ont l'avantage d'être réalisables sous un faible volume et d'avoir une constitution simple
Il existe de plus en plus d'applications qui exigent des accéléromètres de petit volume, de coût faible et cependant très fiables. On peut notamment citer, à titre d'exemples de domaines concernés par l'invention, l'industrie automobile qui requiert de tels accéléromètres pour diverses applications. Par exemple, le declenchement, en cas de choc, d'un organe de sécurité tel qu'un sac gonflable exige un accéléromètre ayant une fiabilité telle qu'il ne risque pas de se déclencher en dehors d'un accident. Les suspensions actives exigent également de tels accéléromètres, pour un domaine d'accélération nettement différent.There are already known accelerometers of this type which have the advantage of being achievable in a small volume and of having a simple constitution.
There are more and more applications that require small volume, low cost and yet very reliable accelerometers. Mention may in particular be made, by way of examples of fields concerned by the invention, of the automobile industry which requires such accelerometers for various applications. For example, the triggering, in the event of an impact, of a safety device such as an airbag requires an accelerometer having a reliability such that there is no risk of it being triggered outside of an accident. Active suspensions also require such accelerometers, for a markedly different acceleration range.
La présente invention vise à fournir un accéléromètre pendulaire du type ci-dessus défini, dont la fiabilité est assurée par la possibilité de contrôler fréquemment et aisément son bon fonctionnement et qui cependant reste d'un coût faible et d'une fabrication simple. The present invention aims to provide a pendulum accelerometer of the type defined above, the reliability of which is ensured by the possibility of frequently and easily controlling its correct operation and which however remains of low cost and of simple manufacture.
Dans ce but, l'invention propose notamment un accéléromètre du type ci-dessus défini, caractérisé en ce que la culasse porte, en face de la première électrode, une électrode de test et en ce que l'accéléromètre comprend de plus des moyens permettant d'appliquer, entre la première électrode et l'électrode de test, une tension déterminée créant un moment de basculement donnant une élongation déterminée au pendule. To this end, the invention proposes in particular an accelerometer of the type defined above, characterized in that the cylinder head carries, opposite the first electrode, a test electrode and in that the accelerometer further comprises means allowing applying, between the first electrode and the test electrode, a determined voltage creating a tilting moment giving a determined elongation to the pendulum.
Le capteur reste très simple, puisqu'il ne comprend que deux pièces constitutives, la culasse à trois électrodes et l'ensemble pendulaire dont le cadre peut être fixé à la périphérie de la culasse par des méthodes bien connues et parfaitement maîtrisées, choisies en fonction des matériaux constitutifs, telles que soudage thermo-électrique, thermocompression et collage. Les électrodes étant situées d'un seul côté du pendule, il n'est pas nécessaire que les faces de ce dernier soient strictement parallèles. Le capteur peut être complété par une pièce supplémentaire fixée au cadre, de façon à constituer une cellule fermée. The sensor remains very simple, since it comprises only two constituent parts, the cylinder head with three electrodes and the pendulum assembly, the frame of which can be fixed to the periphery of the cylinder head by well known and perfectly mastered methods, chosen according to constituent materials, such as thermoelectric welding, thermocompression and bonding. The electrodes being located on one side of the pendulum, it is not necessary that the faces of the latter are strictly parallel. The sensor can be completed by an additional part fixed to the frame, so as to constitute a closed cell.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- la figure 1 est un schéma électrique de principe d'un accéléromètre suivant un mode particulier de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une vue en coupe du capteur selon la ligne II-II de la figure 1
- la figure 3 est une vue éclatée en perspective montrant une constitution possible du capteur ; et
- la figure 4 est un schéma électrique de principe d'un circuit de test d'accéléromètre pouvant équiper l'accéléromètre de la figure 1.The invention will be better understood on reading the following description of a particular embodiment, given by way of non-limiting example. The description refers to the accompanying drawings, in which
- Figure 1 is an electrical schematic diagram of an accelerometer according to a particular embodiment of the invention;
- Figure 2 is a sectional view of the sensor along line II-II of Figure 1
- Figure 3 is an exploded perspective view showing a possible constitution of the sensor; and
- Figure 4 is an electrical schematic diagram of an accelerometer test circuit that can equip the accelerometer of Figure 1.
L'accéléromètre montré schématiquement sur les figures comprend une culasse 10 et un ensemble pendulaire 14. The accelerometer shown schematically in the figures comprises a cylinder head 10 and a pendulum assembly 14.
Cet ensemble comprend un pendule plat 11 pouvant tourner par rapport à un cadre 12 autour d'un axe défini par des charnières 16. Dans le mode de réalisation illustré, une plaque 15 est fixée sur le cadre 12 et constitue, avec ce cadre et la culasse 10, une cellule fermée.This assembly comprises a flat pendulum 11 which can rotate relative to a frame 12 about an axis defined by hinges 16. In the illustrated embodiment, a plate 15 is fixed to the frame 12 and constitutes, with this frame and the cylinder head 10, a closed cell.
L'ensemble pendulaire 14 peut être réalisé par usinage d'une plaque d'un matériau qui est soit électriquement conducteur, puisque, comme on le verra plus loin, la totalité du pendule est au même potentiel, soit en un matériau isolant. Dans ce dernier cas, la face plane du pendule tournée vers la culasse est revêtue d'une couche métallique constituant une première électrode 22. L'axe d'oscillation défini par les charnières 16 est décalé par rapport au centre de gravité G du pendule. The pendulum assembly 14 can be produced by machining a plate of a material which is either electrically conductive, since, as will be seen below, the entire pendulum is at the same potential, or made of an insulating material. In the latter case, the plane face of the pendulum facing the cylinder head is coated with a metal layer constituting a first electrode 22. The axis of oscillation defined by the hinges 16 is offset from the center of gravity G of the pendulum.
La face plane de la culasse porte, en regard du pendule deux secondes électrodes 18 et 20 destinées à la mesure de l'élongation angulaire du pendule par rapport à une position de repos où les électrodes sont parallèles les unes aux autres. Avantageusement les électrodes 18 et 20 ont la même surface et sont disposées symétriquement par rapport à l'axe défini par les charnières 16. The flat face of the cylinder head carries, opposite the pendulum, two second electrodes 18 and 20 intended for measuring the angular elongation of the pendulum relative to a rest position where the electrodes are parallel to each other. Advantageously, the electrodes 18 and 20 have the same surface and are arranged symmetrically with respect to the axis defined by the hinges 16.
On peut notamment constituer l'ensemble pendulaire 14 en silicium, dopé (par exemple par implantation de bore) pour accroître sa conductibilité. Un dopage à 1017 atomes/cm3 est généralement satisfaisant. L'anisotropie du silicium monocristallin permet alors de réaliser l'ensemble pendulaire par amincissement de la zone destinee à constituer le pendule, sur les deux faces, par exemple par gravure au plasma, puis par attaque double face anisotrope, par exemple avec de la potasse, pour effectuer la découpe autour du pendule et constituer les charnières. Un amincissement créant un entrefer de l'ordre de 10 microns est généralement suffisant. La culasse 10 peut être constituée en verre borosilicaté ayant un coefficient de dilatation proche de celui du silicium. Elle peut être également en silicium, revêtue d'une couche mince de verre.Dans ce cas le cadre peut être fixé à la culasse par liaison thermo-électrique, thermo-compression ou collage. La thermo-soudure peut etre par exemple effectuée sous 400 Volts environ à une température d'environ 400"C. One can in particular constitute the pendulum assembly 14 made of doped silicon (for example by implantation of boron) to increase its conductivity. Doping at 1017 atoms / cm3 is generally satisfactory. The anisotropy of monocrystalline silicon then makes it possible to produce the pendulum assembly by thinning the zone intended to constitute the pendulum, on the two faces, for example by plasma etching, then by anisotropic double-sided attack, for example with potash. , to cut around the pendulum and form the hinges. A thinning creating an air gap of the order of 10 microns is generally sufficient. The cylinder head 10 can be made of borosilicate glass having a coefficient of expansion close to that of silicon. It can also be made of silicon, coated with a thin layer of glass. In this case, the frame can be fixed to the cylinder head by thermo-electric connection, thermo-compression or bonding. The heat seal can for example be carried out at about 400 Volts at a temperature of about 400 "C.
Ce mode de constitution se prête bien à une fabrication de capteurs par lots : plusieurs ensembles pendulaires sont fabriqués simultanément sur une même tranche de silicium. Cette tranche est fixée, au niveau des cadres, sur une seconde tranche destinée à constituer la culasse. Une tranche supplémentaire destinée à constituer la plaque 15 est fixée. Enfin les capteurs individuels sont séparés par découpe, par exemple sous jet d'eau ou à la scie. This mode of constitution lends itself well to the production of sensors in batches: several pendulum assemblies are produced simultaneously on the same silicon wafer. This section is fixed, at the level of the frames, to a second section intended to constitute the cylinder head. An additional section intended to constitute the plate 15 is fixed. Finally, the individual sensors are separated by cutting, for example under a water jet or with a saw.
Cette solution réduit les rebuts, la découpe s'effectuant sur une pièce d'épaisseur sensiblement triple de l'épaisseur des ensembles pendulaires. This solution reduces rejects, the cutting being carried out on a piece of thickness substantially triple the thickness of the pendulum assemblies.
Conformément à l'invention, la culasse porte, en face de la première électrode 22, une électrode de test 24. According to the invention, the cylinder head carries, opposite the first electrode 22, a test electrode 24.
Cette électrode peut avoir la même constitution que les secondes électrodes 18 et 20. Elle peut aisément être constituée en face de la partie terminale de l'aile la plus longue du pendule 11. Elle constitue, avec la première électrode 22, un condensateur.This electrode can have the same constitution as the second electrodes 18 and 20. It can easily be formed opposite the end part of the longest wing of the pendulum 11. It constitutes, with the first electrode 22, a capacitor.
Les liaisons des diverses électrodes avec l'extérieur peuvent être effectuées par des pistes conductrices, réalisées par dépôt de métal sur la culasse 10 et, pour ce qui est de l'électrode 22, sur une des charnières 16 et la face inférieure du cadre 12. La liaison entre cette piste et la piste correspondante de la culasse s'effectue par contact. The connections of the various electrodes with the outside can be carried out by conductive tracks, produced by depositing metal on the yoke 10 and, with regard to the electrode 22, on one of the hinges 16 and the underside of the frame 12 The connection between this track and the corresponding track of the cylinder head is effected by contact.
Les électrodes 18, 20 et 22 sont insérées dans un circuit de mesure de l'élongation angulaire du pendule 11 par rapport à la position de repos où, en général, les capacités des deux condensateurs définis par les électrodes sont égales. Le circuit montré à titre d'exemple sur la figure 1 comporte un oscillateur 26 qui attaque un pont capacitif de mesure. Deux des branches du pont contiennent les condensateurs constitués l'un des électrodes 18 et 22, l'autre des électrodes 20 et 22. Les deux autres branches contiennent des capacités de référence, dont l'une est éventuellement ajustable pour permettre d'équilibrer le pont au repos. La tension qui apparat dans la diagonale du pont est appliquée à un amplificateur 28 qui attaque un démodulateur synchrone 30.Certaines applications exigent simplement qu'un signal de commande ou d'alarme soit fourni lorsque l'accélération dépasse un seuil déterminé pendant un intervalle de temps également supérieur à une valeur déterminée. Dans ce cas, le circuit de mesure peut être complété par un détecteur à seuil 32 suivi d'un intégrateur 34. La valeur du seuil de détection peut être fixée par une tension de référence V ref ajustable. The electrodes 18, 20 and 22 are inserted in a circuit for measuring the angular elongation of the pendulum 11 relative to the rest position where, in general, the capacities of the two capacitors defined by the electrodes are equal. The circuit shown by way of example in FIG. 1 comprises an oscillator 26 which drives a capacitive measurement bridge. Two of the branches of the bridge contain the capacitors consisting of one of the electrodes 18 and 22, the other of the electrodes 20 and 22. The other two branches contain reference capacitors, one of which is possibly adjustable to allow the balance to be balanced. bridge at rest. The voltage which appears in the diagonal of the bridge is applied to an amplifier 28 which drives a synchronous demodulator 30. Some applications simply require that a command or alarm signal be supplied when the acceleration exceeds a determined threshold during an interval of time also greater than a determined value. In this case, the measurement circuit can be completed by a threshold detector 32 followed by an integrator 34. The value of the detection threshold can be fixed by an adjustable reference voltage V ref.
Dans d'autres cas, il est nécessaire de disposer d'un signal de mesure représentatif de la valeur de l'accélération. Dans ce cas, le détecteur synchrone sera généralement suivi d'un filtre passe-bas fournissant un signal de sortie représentatif de l'accélération. In other cases, it is necessary to have a measurement signal representative of the value of the acceleration. In this case, the synchronous detector will generally be followed by a low-pass filter providing an output signal representative of the acceleration.
Le caractère différentiel de la mesure garantit une linéarité approchée. Elle peut être améliorée en limitant l'utilisation de l'accéléromètre à une plage d'accélération nettement inférieure à la dynamique totale qu'il permettrait d'atteindre et correspondrait à la venue en butée du pendule contre la culasse. The differential nature of the measurement guarantees an approximate linearity. It can be improved by limiting the use of the accelerometer to an acceleration range significantly lower than the total dynamic range that it would achieve and would correspond to the coming into abutment of the pendulum against the cylinder head.
La vérification du bon fonctionnement de l'accéléromètre s'effectue en exerçant sur le pendule une force d'attraction à l'aide du condensateur constitué par les électrodes 22 et 24. Dans le cas illustré sur la figure 1, le circuit comporte une source de tension continue 36. Un interrupteur 38 permet de relier les électrodes 22 et 24 soit avec la source, soit (dans la position montrée en figure 1) l'une à l'autre pour les porter au même potentiel. The correct functioning of the accelerometer is verified by exerting on the pendulum a force of attraction using the capacitor constituted by the electrodes 22 and 24. In the case illustrated in FIG. 1, the circuit includes a source of continuous voltage 36. A switch 38 makes it possible to connect the electrodes 22 and 24 either with the source, or (in the position shown in FIG. 1) to one another to bring them to the same potential.
L'interrupteur 38 peut être relié à un séquenceur permettant, à cadence régulière ou une seule fois à chaque mise en service de l'accéléromètre, d'actionner l'interrupteur 38 pour mettre la source 36 en circuit, pendant une durée déterminée, puis de comparer le déséquilibre du pont capacitif avec une valeur déterminée gardée en mémoire, et enfin de remettre l'accéléromètre en état de fonctionnement normal par basculement de l'interrupteur 38.The switch 38 can be connected to a sequencer allowing, at regular rate or only once each time the accelerometer is put into service, to actuate the switch 38 to switch on the source 36, for a determined period, then to compare the imbalance of the capacitive bridge with a determined value kept in memory, and finally to return the accelerometer to normal operating state by flipping the switch 38.
Dans beaucoup d'applications, et notamment lorsque l'accéléromètre est destiné à être monté sur un véhicule automobile, les tensions disponibles dans les circuits électroniques sont faibles, généralement inférieures à 5 Volts. Or, pour que faAtraction électro-statique exercée dans le cas d'un capteur du genre montré en figure 1 soit énergique, il est souhaitable d'appliquer une tension nettement supérieure, par exemple de plusieurs dizaines de
Volts.In many applications, and in particular when the accelerometer is intended to be mounted on a motor vehicle, the voltages available in the electronic circuits are low, generally less than 5 volts. However, in order for the electrostatic attraction exerted in the case of a sensor of the kind shown in FIG. 1 to be energetic, it is desirable to apply a much higher voltage, for example several tens of
Volts.
La figure 4 montre des moyens, constituant dispositif d'auto-test, permettant d'appliquer, entre la première électrode 22 et l'électrode de test 24, une tension qui peut atteindre de telles valeurs, même avec une source d'alimentation présentant à ses bornes une tension très inférieure. FIG. 4 shows means, constituting a self-test device, making it possible to apply, between the first electrode 22 and the test electrode 24, a voltage which can reach such values, even with a power source having at its terminals a much lower voltage.
Les moyens montrés en figure 4 comportent une source de tension alternative 40 fournissant une tension Ve et des éléments permettant de constituer un circuit résonant
RLC avec le condensateur constitué par les électrodes 22 et 24. Un interrupteur non représenté permet de mettre ce circuit en série avec le condensateur constitué des électrodes 22 et 24 ou de court-circuiter ces électrodes. Il comporte une résistance R, une inductance L et un condensateur dont la capacité C2 est nettement supérieure à la capacité C1 du condensateur de test, pour un motif qu'on verra plus loin. The means shown in FIG. 4 comprise an alternating voltage source 40 supplying a voltage Ve and elements making it possible to constitute a resonant circuit
RLC with the capacitor constituted by the electrodes 22 and 24. A switch not shown makes it possible to put this circuit in series with the capacitor constituted by the electrodes 22 and 24 or to short-circuit these electrodes. It comprises a resistor R, an inductance L and a capacitor whose capacitance C2 is clearly greater than the capacitance C1 of the test capacitor, for a reason which will be seen later.
Dans ces conditions la tension aux bornes de la capacité, de valeur C, constituée par la mise en série des condensateurs de valeurs C1 et C2, est
Vc = Ve / (1 + RCp + LCp2) où p = jo). Under these conditions the voltage across the capacitor, of value C, constituted by the series connection of the capacitors of values C1 and C2, is
Vc = Ve / (1 + RCp + LCp2) where p = jo).
En valeur absolue on peut alors écrire |Vc| = |ve| / / L(1-LCo)2)2 + (RCw)2)
Lorsque la source 40 est à la fréquence de résonance, c est-à-dire pour #o = 1/LC, on peut écrire |Vc| = |Ve| / RCo,
Dans tous les cas, la tension Vcl aux bornes du condensateur de test est égale à une fraction de Vc égale à C2/(C1+C2). En adoptant pour C2 une valeur très supérieure à celle de C1, par exemple au moins cent fois supérieure, Vcl est pratiquement égale à Vc.La tension efficace Vcle aux bornes du condensateur de test est alors, à la résonance
Vcle = Vee / (RC#0)
En utilisant une source alternative à la fréquence de résonance et pour des valeurs appropriées de R et de C, on peut obtenir des surtensions élevées. Or la force électrostatique qui s'exerce entre les électrodes 22 et 24 est proportionnelle au carré de la tension efficace : on peut donc arriver à des forces de traction très élevées. Au surplus, il est facile de modifier la tension efficace en modifiant simplement la valeur des composants du circuit résonant.In absolute value we can then write | Vc | = | ve | / / L (1-LCo) 2) 2 + (RCw) 2)
When the source 40 is at the resonant frequency, that is to say for #o = 1 / LC, we can write | Vc | = | Ve | / RCo,
In all cases, the voltage Vcl at the terminals of the test capacitor is equal to a fraction of Vc equal to C2 / (C1 + C2). By adopting for C2 a value much greater than that of C1, for example at least a hundred times greater, Vcl is practically equal to Vc. The effective voltage Vcle across the terminals of the test capacitor is then, at resonance
Vcle = Vee / (RC # 0)
By using an alternative source at the resonant frequency and for appropriate values of R and C, high overvoltages can be obtained. However, the electrostatic force which is exerted between the electrodes 22 and 24 is proportional to the square of the effective voltage: it is therefore possible to arrive at very high tensile forces. Furthermore, it is easy to modify the effective voltage by simply modifying the value of the components of the resonant circuit.
On choisira une fréquence de résonance éloignée de celle qu'est susceptible de prendre le pendule. Dans ces conditions, l'élongation du pendule sera une fonction quasilinéaire de la force d'attraction. We will choose a resonance frequency far from that which the pendulum is likely to take. Under these conditions, the elongation of the pendulum will be a quasi-linear function of the force of attraction.
L'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. Par exemple, lorsque l'on souhaite réduire l'amortissement dû au laminage de l'air entre le pendule d'une part, la culasse 10 et la plaque 15 d'autre part, une fente 42 peut être pratiquée à travers le pendule, par exemple en face de l'intervalle qui sépare l'électrode de test 24 et la seconde électrode 20 placée du même côté de l'axe d'oscillation du pendule. The invention is susceptible of numerous variant embodiments. For example, when it is desired to reduce the damping due to the rolling of the air between the pendulum on the one hand, the cylinder head 10 and the plate 15 on the other hand, a slot 42 can be made through the pendulum, for example opposite the interval which separates the test electrode 24 and the second electrode 20 placed on the same side of the axis of oscillation of the pendulum.
Claims (4)
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| FR9209546A FR2694403B1 (en) | 1992-07-31 | 1992-07-31 | Pendulum electrostatic accelerometer with test electrode and method of manufacturing such an accelerometer. |
Applications Claiming Priority (1)
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| FR9209546A FR2694403B1 (en) | 1992-07-31 | 1992-07-31 | Pendulum electrostatic accelerometer with test electrode and method of manufacturing such an accelerometer. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2694403A1 true FR2694403A1 (en) | 1994-02-04 |
| FR2694403B1 FR2694403B1 (en) | 1994-10-07 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9209546A Expired - Fee Related FR2694403B1 (en) | 1992-07-31 | 1992-07-31 | Pendulum electrostatic accelerometer with test electrode and method of manufacturing such an accelerometer. |
Country Status (1)
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