FR2931247A1 - Capteur d'acceleration muni d'une masse sismique enveloppante - Google Patents

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Abstract

Capteur micromécanique d'accélération comportant un substrat (100), une suspension (50), une masse sismique (9) et des électrodes capacitives fixes (7, 71, 72). La masse sismique (9) est suspendue par la suspension (50) au-dessus du substrat (100). La masse sismique (9) a un centre de gravité (10) et la suspension (50) a au moins deux ancrages (41, 42) dans le substrat (100). Ces ancrages sont à côté du centre de gravité (10) à une petite distance par rapport à l'extension horizontale (30) de la masse sismique (9). Les électrodes capacitives fixes (7, 71, 72) sont situées dans les dégagements (20) de la masse sismique (9). Selon l'invention, la masse sismique (9) entoure directement la suspension (50).

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention concerne un capteur micromécanique d'accélération comportant un substrat, une suspension, une masse sismique et des électrodes capacitives fixes.
La masse sismique est suspendue au-dessus du substrat par une suspension. La masse sismique a un centre de gravité et la suspension comporte au moins deux ancrages au substrat. Ces deux ancrages sont à côté du centre de gravité à une petite distance par rapport à l'extension horizontale de la masse sismique. Les électrodes ca- po pacitives sont des électrodes en forme de doigt, mobiles, de la masse sismique. Etat de la technique Un tel objet est présenté dans le document DE 10 2007 047 592 non publié antérieurement. Les électrodes mobiles 15 sont prévues sur le bord intérieur de la masse sismique. Les électrodes capacitives fixes sont prévues directement à proximité de l'entretoise centrale de suspension de la masse sismique par l'intermédiaire d'entretoises de suspension commune. Si le substrat est réalisé dans une autre matière que la masse sismique et sa suspension, on peut ren- 20 contrer des contraintes mécaniques entre le substrat et la suspension ou la masse sismique à cause des coefficients de dilatation thermiques différents. De telles tensions peuvent également être engendrées par la suspension ou la masse sismique réalisée dès l'origine avec des contraintes internes. De plus les tensions mécaniques dans le substrat 25 même peuvent être engendrées par le procédé de fabrication, par exemple par les soudures, les collages ou l'encapsulage. Comme la suspension et la masse sismique sont des éléments beaucoup plus faibles que le substrat, on absorbe les contraintes par la déformation de la suspension et de la masse sismique. Mais cela modifie la position de la masse 30 sismique par rapport au substrat et aux autres éléments fixes portés par le substrat. Il en résulte par exemple dans le cas de capteur d'accélération capacitif, par un défaut de point zéro pour la capacité mesurée, par suite de la variation de distance entre les électrodes mobiles et les électrodes fixes.
2 Le document DE 196 39 946 présente un capteur d'accélération micromécanique ayant une structure micromécanique de surface avec deux points de suspension juxtaposés entre lesquels passe une masse sismique mobile accrochée aux deux autres points de sus- pension par l'intermédiaire de ressorts de suspension. Le document DE 19523895 Al décrit un capteur micro-mécanique de vitesse de rotation ayant une structure micromécanique de surface munie d'une suspension centrale (un point de suspension centrale) et une masse sismique qui l'entoure ; cette masse est suspendue à la suspension centrale par l'intermédiaire de ressorts de suspension. Le document DE 19500800 Al présente aux figures 5 et 6 un capteur micromécanique dont la suspension centrale porte deux masses sismiques qui se font face. Ces masses reliées par des entretoi- 15 ses de liaison sont suspendues à la suspension centrale. Le document EP 1083144 Al présente un dispositif micromécanique avec une suspension centrale et deux masses sismiques qui se font face à côté de la suspension centrale. Ces masses sismiques reliées l'une à l'autre par des entretoises de liaison sont accrochées à la 20 suspension centrale par une poutre de liaison. La suspension centrale est située au centre (au niveau de l'axe central du centre de gravité surfacique et massique) de l'ensemble de la structure mobile. Le document EP 1626283 Al décrit un dispositif micro-mécanique ayant une suspension centrale et deux masses sismiques 25 qui se font face situées à côté de cette suspension. Ces masses sismiques sont reliées l'une à l'autre par des entretoises de liaison et elles sont reliées à la suspension centrale par l'intermédiaire d'une poutre de liaison. La suspension centrale est installée au centre (sur l'axe central) de l'ensemble de la structure mobile. La structure mobile comporte un 30 ensemble d'électrodes mobiles et en plus un ensemble d'électrodes fixes. L'ensemble d'électrodes fixes comporte une suspension commune au voisinage de la suspension centrale. Le document DE 10 2006 033 636 Al présente un objet analogue. Le document WO-2004010150 A2 montre un capteur 35 d'accélération micromécanique ayant une suspension centrale et une
3 masse sismique de forme annulaire ainsi que des électrodes mobiles en forme de doigts sur la périphérie intérieure de la masse sismique de forme annulaire. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un capteur d'accélération micromécanique ayant un substrat, une suspension et une masse sismique ainsi que des électrodes capacitives fixes. La masse sismique est suspendue au-dessus du substrat par la suspension. La masse sismique a un centre de gravité massique et la suspension comporte au moins deux ancrages au substrat. Au moins les deux ancrages se trou-vent à côté du centre de gravité à une petite distance par rapport à l'extension horizontale de la masse sismique. Les électrodes capacitives fixes sont logées dans les dégagements de la masse sismique. L'élément principal de l'invention est que la masse sismi- que entoure directement la suspension. La masse sismique est écartée de la suspension pour assurer sa mobilité souhaitée. Entre la zone de bord intérieur de la masse sismique et la suspension il n'y a aucun autre élément actif. Un développement avantageux de l'invention prévoit de réaliser le capteur comme capteur d'accélération linéaire ayant au moins un axe de mesure. La suspension est avantageusement réalisée sous la forme d'une poutre avec l'axe de mesure installé dans sa direction longitudinale. Il est également avantageux que la masse sismique entoure la suspension suivant une forme annulaire. La masse sismique peut se réaliser d'une manière particulièrement robuste vis-à-vis des déformations. Il est avantageux que les dégagements soient constitués par des formes annulaires fermées. Les dégagements dont les zones marginales constituent des électrodes capacitives mobiles sont particu- lièrement robustes vis-à-vis des déformations. De façon avantageuse les électrodes capacitives sont an-crées séparément dans le substrat. Un développement avantageux de l'invention prévoit cha- que fois deux électrodes dans chaque dégagement. De manière avanta-
4 geuse on réalise ainsi avec l'électrode correspondante et la zone de bord en regard dans le dégagement, les structures de condensateur qui sont bien protégées vis-à-vis de l'extérieur. Un autre développement avantageux de l'invention pré- voit une électrode dans chaque dégagement. Cette disposition économise de la place de sorte qu'avantageusement on prévoit des dégagements plus petits et en nombre plus important dans la masse sismique pour une même capacité ce qui augmente la précision des me-sures réalisées par le capteur.
Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un mode de réalisation de l'invention présenté dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un premier capteur d'accélération selon l'état de la technique, - la figure 2 montre un second capteur d'accélération selon l'état de la technique, - la figure 3 montre schématiquement un premier exemple de réalisation d'un capteur d'accélération selon l'invention avec une masse sismique périphérique, et - la figure 4 montre schématiquement un second exemple de réalisation d'un capteur d'accélération selon l'invention avec une masse sismique périphérique. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre un premier capteur d'accélération selon l'état de la technique. Ce capteur d'accélération comporte un substrat 100, une masse sismique 9, une suspension 50 avec deux ancrages ou moyens d'ancrage 41, 42 proches de son centre, une poutre de sus-pension 1 et des éléments de ressort 15. Le centre de gravité (centre de gravité massique) 10 encore appelé centre de gravité surfacique ou aussi axe central de la masse sismique 9 ou de sa projection en vue de des-sus, traverse la poutre de suspension 1. Les deux ancrages 41, 42 ne se trouvent pas dans le centre de gravité 10 mais à une faible distance de celui-ci. Ces deux ancrages se trouvent sous la poutre de suspension de sorte qu'ils sont représentés en traits interrompus. Les deux ancrages 41, 42 assurent l'ancrage de la poutre de suspension 1 au substrat 100. Dans le cas du capteur d'accélération présenté, le centre de gravité 10 se trouve entre les ancrages 41 et 42. Aux deux extrémités 5 extérieures de la poutre de suspension 1 on a des traverses 11 et celles-ci comportent les éléments de ressort 15 sous la forme de ressorts pliés usuels qui assurent la suspension élastique de la masse sismique 9 de forme annulaire. Les éléments de ressort 15 permettent le mouvement de la masse sismique 9 suivant un axe de mesure qui passe le long de la direction d'extension la plus grande de la poutre de suspension 1. Au niveau des deux côtés opposés de la poutre de suspension 1, d'autres poutres de suspension 2, 3 portent les électrodes capacitives fixes 7. Les autres poutres de suspension 2 et 3 sont accrochées au substrat chaque fois par un ancrage 5 et 6 à proximité du centre de gravité 10.
Des électrodes capacitives fixes 7 sont installées en regard des électrodes capacitives mobiles 8 qui constituent les structures de condensateur avec les électrodes fixes 7. Les électrodes capacitives mobiles 8 sont constituées par des déformations de la masse sismique 9 en forme de peigne, s'étendant à partir d'un bord intérieur de la masse sismique 9 vers la poutre de suspension 1. Les électrodes fixes 7 et les électrodes mobiles 8 forment ainsi des structures interdigitées ou structures en forme de peigne, imbriquées. La masse sismique 9 et les électrodes capacitives mobiles 8 sont perforées, c'est-à-dire que ces éléments ont une répartition régu- lière d'orifices traversants. La perforation permet d'une part à un milieu d'attaque chimique servant la fabrication du capteur, de pénétrer au cours du procédé de gravure, dans la couche sacrificielle située en des-sous, pour séparer de manière certaine la masse sismique 9 et l'électrode capacitive mobile, par rapport au substrat 100 et de rendre celui-ci mobile. Les électrodes capacitives fixes 7, 1, 2, 3 peuvent également être perforées. La figure 2 montre un second capteur d'accélération selon l'état de la technique. Ce capteur d'accélération comporte une sus-pension 50 avec deux ancrages 41, 42 proches du centre. A la différence de l'objet de la figure 1, on a une poutre de suspension 12, 13 divisée,
6 comportant des éléments de ressort 15. Chacune des poutres de sus-pension 12, 13, divisée, est ancrée à l'aide de l'un des deux moyens d'ancrage 41, 42 à un substrat situé en dessous et qui est commun à tous les éléments. Aux deux extrémités extérieures de la poutre de sus- pension 12, 13, divisée, on a des éléments de ressort 15 sous la forme de ressorts repliés usuellement, qui suspendent élastiquement la masse sismique 9 de forme annulaire. Les éléments de ressort 15 autorisent le mouvement de la masse sismique 9 dans l'axe de la masse qui passe le long de la plus grande direction d'extension de la poutre de suspension 12, 13. La figure 3 montre schématiquement un premier exemple de réalisation du capteur d'accélération selon l'invention avec une masse sismique périphérique c'est-à-dire l'entourant. La figure montre un capteur micromécanique d'accélération comprenant un substrat, une suspension 50 avec une masse sismique 9 et des électrodes capacitives fixes 7. La masse sismique 9 est suspendue au-dessus du substrat 100 par la suspension 50. La masse sismique a un centre de gravité 10. La suspension 50 comporte au moins deux ancrages 41, 42 dans le substrat 100. Au moins les deux ancrages 41, 42 sont installés étroite- ment à côté du centre de gravité 10. L'expression Installés à côté signifie que les deux ancrages 41, 42 sont chacun à une certaine distance à côté du centre de gravité 10 ; cette distance est petite par rapport à l'extension horizontale totale 30 de la masse sismique 9 ou de l'extension horizontale commune de la suspension 50 au-dessus du substrat 100. La masse sismique 9 entoure directement la suspension 50. La masse sismique 9 a des dégagements 20 de forme annulaire, fermés, munis des électrodes capacitives fixes 7. Le capteur d'accélération de cet exemple de réalisation comporte une suspension 50 avec deux moyens d'ancrage 41, 42 proches du centre et une poutre de suspension 12, 13, divisée, ayant des éléments de ressort 15 comme le montre l'objet représenté et décrit figure 1. Aux deux extrémités extérieures de la poutre de suspension divisée 12, 13 il y a les éléments de ressort 15 sous la forme de ressorts usuellement pliés, qui assurent la suspension élastique d'une masse sismique 9 de forme annulaire. Les
7 éléments de ressort 15 sont reliés dans une première zone à une poutre transversale 11 ; cette dernière est prévue à son tour à une extrémité de la poutre de suspension 12, 13. Dans une seconde zone, les éléments de ressort 15 sont reliés à la masse sismique 9. A la différence de l'objet de la figure 1, la masse sismique 9 entoure directement la suspension 50 c'est-à-dire qu'elle entoure les poutres de suspension 12, 13, divisées aux poutres transversales 11 et à l'élément de ressort 15. La masse sismique 9 est écartée de la suspension 50 de façon à permettre sa mobilité souhaitée. Entre une zone de bord intérieur de la masse sismique l0 9 et la suspension 50 il n'est toutefois prévu aucun autre élément actif. La masse sismique 9 comporte des dégagements 20 dans lesquels sont logés chaque fois une électrode capacitive 7, fixe. Cette électrode est an-crée au substrat 100 par l'intermédiaire d'un moyen d'ancrage 50. L'électrode capacitive fixe 7 est installée en regard d'une zone de bord 15 du dégagement 20 et à côté de celui-ci. La zone de bord fonctionne comme électrode mobile 8 et forme un condensateur avec l'électrode capacitive fixe 7. La figure 4 montre schématiquement un second exemple de réalisation un capteur d'accélération selon l'invention muni d'une 20 masse sismique périphérique c'est-à-dire l'entourant. A la différence du premier exemple de réalisation de la figure 3, la masse sismique 9 pré-sente un dégagement 20 de forme annulaire, fermé, recevant chaque fois deux électrodes capacitives fixes 71, 72 ancrées dans le substrat 100. Chacune des électrodes capacitives fixes 71, 72 est prévue dans la 25 zone de bord d'un dégagement 20 et la zone de bord fonctionne comme une électrode mobile en constituant une structure de condensateur avec chaque fois l'électrode capacitive 71 ou 72. 30

Claims (1)

  1. REVENDICATIONS1 °) Capteur micromécanique d'accélération comportant un substrat (100), une suspension (50), une masse sismique (9) et des électrodes capacitives fixes (7, 71, 72), s - la masse sismique (9) est suspendue au-dessus du substrat (100) par la suspension (50), - la masse sismique (9) a un centre de gravité (10), - la masse sismique (9) entoure directement la suspension (50), - la suspension (50) comporte au moins deux ancrages (41, 42) dans le 10 substrat (100), - les au moins deux ancrages (41, 42) se trouvent à côté du centre de gravité (10), à une petite distance par rapport à l'extension horizon-tale (30) de la masse sismique (9), - les électrodes capacitives fixes (7, 71, 72) sont prévues dans les déga-15 gements (20) de la masse sismique (9). 2°) Capteur micromécanique d'accélération selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur est un capteur d'accélération linéaire ayant au moins un axe 20 de mesure. 3°) Capteur micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse sismique (9) entoure la suspension (50) suivant une forme an-25 nulaire fermée. 4°) Capteur micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dégagements (20) ont une forme annulaire fermée. 5°) Capteur micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la suspension (50) comporte au moins une poutre de suspension (1, 12, 13) 35 9 6°) Capteur micromécanique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' à au moins une extrémité de la poutre de suspension (1, 12, 13) est disposé un élément de ressort (15), notamment par l'intermédiaire d'une poutre transversale (11), cet élément de ressort est relié dans une première zone à la poutre de suspension (1, 12, 13) et dans une seconde zone à la masse sismique (9). 7°) Capteur micromécanique selon la revendication 1, caractérisé par chaque fois deux électrodes capacitives fixes (71, 72) logées dans chaque dégagement (20). 8°) Capteur micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' une électrode capacitive fixe (7) est installée dans chaque dégagement (20). 9°) Capteur micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes capacitives fixes (7, 71, 72) sont ancrées séparément dans le substrat (100).
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