FR2960064A1 - Capteur micromecanique et procede de mesure utilisant un tel capteur - Google Patents

Abstract

Capteur micromécanique comportant un substrat et une poutre de torsion (12) à laquelle est suspendue une masse sismique (11) servant à mesurer une grandeur physique. Tout le volume de la poutre de torsion (12) est dopé pour former une matière piézorésistante. L'invention concerne également un procédé de mesure d'une grandeur inertielle ou d'une force à l'aide d'un tel capteur. On détermine l'amplitude de la grandeur inertielle ou de la force agissant sur la masse sismique (11) en saisissant la variation de la résistance électrique de la poutre de torsion (12). Toute la section de la poutre de torsion (12) est utilisée pour saisir la variation de résistance.

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un capteur micromécanique comprenant au moins un substrat et une masse sismique suspendue au substrat par l'intermédiaire d'au moins une poutre de torsion pour mesurer une grandeur physique agissant sur la masse sismique. L'invention se rapporte également à un procédé de mesure d'une grandeur inertielle ou d'une force à l'aide d'un capteur micromécanique.

Etat de la technique Selon le document DE 10 2008 017 156 Al, on connaît un capteur d'accélération micromécanique comportant au moins un substrat et un ou plusieurs châssis dont au moins un premier châssis est suspendu directement ou indirectement au substrat par l'intermédiaire d'un élément à ressort ; sous l'effet d'au moins une première accélération, le châssis est écarté du substrat. Au moins une première masse sismique comportant au moins un élément de ressort, est suspendue au premier châssis ou a un châssis supplémentaire. Sous l'effet d'une accélération, notamment différente de la première accélération, ce châssis est écarté du premier châssis. Les éléments de ressort comportent notamment des zones piézo-électriques pour saisir l'accélération. Ces zones sont obtenues par dopage de la surface des éléments de ressort. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour objet un capteur micromécanique du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que tout le volume au moins d'une poutre de torsion est dopé pour constituer une matière piézorésistante. L'invention a également pour objet un procédé de mesure utilisant un tel capteur du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on suspend une masse sismique par l'intermédiaire d'au moins une poutre de torsion à un substrat, le procédé comprenant les étapes suivantes : - déterminer l'amplitude de la grandeur inertielle ou de la force agissant sur la masse sismique en saisissant une variation de la résistance électrique d'au moins une poutre de torsion,

2 - toute la section de la poutre de torsion étant utilisée pour saisir la variation de résistance. L'invention repose sur l'utilisation d'une matière piézo-électrique en volume, ce qui évite des zones dopées, introduites de manière ciblée. L'invention repose sur le fait que l'amplitude et le signe d'une grandeur physique à mesurer, peuvent se déterminer indépendamment l'un de l'autre. Pour déterminer l'amplitude de la grandeur à mesurer, on utilise une masse sismique suspendue à au moins une poutre de torsion. La grandeur physique agissant sur la masse sismique provoque la torsion de la poutre et produit par l'effet piézorésistant, une variation de la résistance électrique de la poutre de torsion. Ainsi, on peut utiliser tout le volume de la poutre de torsion pour la mesure, de sorte que tout le volume de la poutre de torsion, pourra être dopé pour former la matière piézorésistante. On supprime ainsi tout autre mise en structure du dispositif de capteur qui nécessiterait l'introduction ciblée de zones dopées, ce qui permet d'avoir des dimensions plus petites. En particulier, pour des capteurs (direction z) qui saisissent une accélération perpendiculaire à leur plan, l'invention s'applique d'une manière particulièrement avantageuse. En effet, dans ce cas, la difficulté a traiter est celle de la suspension de la masse sismique qui se situe dans le même plan que celui de la masse sismique elle-même et sous l'effet d'une accélération (z) appliqué à la masse sismique, celle-ci n'est pas simplement sollicitée en traction ou en compression ; ainsi cela ne permet pas tout simplement d'utiliser tout le volume de la suspension pour déterminer la tension mécanique par effet piézorésistant. Pour qu'ainsi une accélération (z) produise un mouvement de la masse sismique autour de l'axe de torsion d'au moins une poutre de torsion et d'au moins une torsion de la poutre de torsion, il faut que le centre de gravité de la masse sismique, se trouve à l'extérieur de l'axe de torsion. Toute la masse sismique se trouve de préférence sur un côté de l'axe de torsion. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, on détermine le signe algébrique de la grandeur agissant sur la masse

3 sismique grâce à une poutre de flexion supplémentaire. Au moins cette poutre de flexion est installée pour qu'un mouvement de la masse sismique sous l'effet de la grandeur à mesurer, se traduise par une compression ou une extension de la poutre de flexion. Cela permet que tout le volume de la masse piézo-électrique soit celui de la poutre de flexion pour déterminer le signe algébrique de la grandeur à mesurer en utilisant la résistance électrique. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, au moins une poutre de torsion à laquelle est suspendue la masse sismique est précontrainte pour permettre de déterminer le signe algébrique de la grandeur physique à mesurer. La valeur mesurée de la résistance électrique, se compose alors de la valeur correspondant à la précontrainte et celle de la variation de résistance occasionnée par la grandeur à mesurer. En comparant la valeur de la résistance mesurée et la valeur de la résistance correspondant à la précontrainte, on obtient l'amplitude et le signe algébrique de la grandeur à mesurer. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation d'un capteur selon l'invention représenté dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue de dessus d'un premier exemple de réalisation d'un capteur selon l'invention, - la figure 2 montre une vue de côté du premier exemple de réalisation du capteur selon l'invention, - la figure 3 est une vue en perspective du premier mode de réalisation du capteur selon l'invention, - la figure 4 est une vue en perspective d'un second mode de réalisation du capteur selon l'invention, - la figure 5 montre le flux du courant dans le premier exemple de réalisation du capteur selon l'invention, - la figure 6 montre en vue de dessus un troisième exemple de réalisation du capteur selon l'invention, - la figure 7 est une vue de côté du troisième exemple de réalisation du capteur selon l'invention.35

4 Description de modes de réalisation de l'invention Dans les différentes figures, on utilisera les mêmes références pour désigner les mêmes composants ou des composants de même fonction.

La figure 1 est une vue schématique d'un capteur 10 de saisie d'une accélération z selon un premier exemple de réalisation préférentiel de l'invention, le capteur étant représenté en vue de dessus. Le capteur 10 comprend une masse sismique 11 sous la forme d'une plaque reliée par deux poutres ou barres de torsion 12 à des suspensions de substrat 13. Les deux poutres de torsion 12 ont les mêmes dimensions et s'étendent le long d'un axe de torsion commun. Cet axe se trouve sur le côté transversal de la plaque 11 de sorte que le centre de gravité de la masse sismique 11 est situé au-delà de l'axe de torsion et s'écarte perpendiculairement aux deux grands côtés de la plaque 11 constituant la masse sismique 11. Le montage pourrait également être vu de façon inverse comme poutre de torsion 12 avec partant de sa zone centrale, la masse sismique 11 s'étendant à angle droit. Les poutres de torsion 12 sont réalisées pour être aussi rigides en flexion que possible dans les directions x, y et z, mais souples en torsion le long de l'axe de torsion. La sensibilité du capteur vis-à-vis des accélérations dans la direction x ou dans la direction y, est de ce fait faible. Dans le premier exemple de réalisation préférentiel, le capteur 10 comporte en outre deux poutres de flexion 14 reliant, la masse sismique 11 aux suspensions de substrat 15. Mais on pourrait également envisager de n'utiliser que l'une des deux poutres de flexion ou plus de deux poutres de flexion. Les deux poutres de flexion 14 s'étendent dans une direction perpendiculaire à l'axe de torsion. Les suspensions de substrat 13 et 15 sont elles-mêmes accrochées dans un substrat non représenté dans les dessins. La figure 2 est une vue schématique de côté du capteur 10 correspondant au premier exemple de réalisation préférentiel de l'invention. La figure 2 montre que les poutres de flexion 14 en position de repos du capteur 10, s'étendent parallèlement à la direction d'extension de la plaque 11. En particulier, le côté inférieur de la poutre de flexion 14 est coplanaire avec la face inférieure de la plaque 11. Les poutres de flexion 14 sont en outre beaucoup plus minces que la plaque 11 si bien que la zone dans laquelle les poutres sont reliées à la plaque 5 11, se situe en dessous de l'axe de torsion autour duquel se déplace la masse sismique 11. Les poutres de flexion 14 peuvent également être installées plus bas pour que le côté supérieur des poutres vienne de façon adjacente contre la face inférieure de la plaque 11. La figure 3 est une vue en perspective schématique du capteur 10 correspondant au premier exemple de réalisation préférentiel de l'invention. La figure 3 montre de manière plus précise la disposition relative des masses sismiques 11 et des poutres 12 et 14. Les poutres de torsion 12 de forme quadrangulaire sont montées pour que leurs grands côtés chaque fois opposés de la masse sismique 11, se trouvent pratiquement coplanaires avec le côté de la masse sismique 11 tourné vers les poutres de torsion 12. La hauteur des poutres de torsion 12 correspond en outre à l'épaisseur de la plaque 11 de sorte que le côté supérieur et le côté inférieur respectifs des poutres de torsion 12, se situent chaque fois dans un plan passant par le côté supérieur et le côté inférieur de la plaque 11. Selon l'exemple de réalisation préférentiel, la masse sismique 11 et les poutres de torsion 12 sont réalisées dans une couche de silicium polycristallin à développement épitaxial ayant de préférence une épaisseur comprise entre 10 et 20 µm. Les poutres de flexion 14 sont réalisées dans une seconde couche de silicium polycristallin ayant une épaisseur de préférence comprise entre 500 nm et 2 µm. De cette manière, les deux couches peuvent être structurées indépendamment l'une de l'autre. Lorsqu'on réalise une matière piézo-électrique, on peut doper de manière homogène les deux couches ce qui simplifie considérablement la fabrication. Mais on peut limiter le dopage seulement aux poutres 12 et 14. La figure 4 est une vue en perspective schématique du capteur 10' selon un second exemple de réalisation préférentiel de l'invention.

6 Le capteur 10' se distingue du capteur 10 par la position des poutres de flexion 14'. La disposition de la masse sismique 11 et des poutres de torsion 12, correspond à celle du premier exemple de réalisation de l'invention. En revanche, dans le cas du capteur 10', les poutres de flexion 14', ne se situent pas dans un plan avec la plaque 11, mais sont perpendiculaires à ce plan. De cette manière, une accélération de la masse sismique 11 dans la direction z, se traduit directement par une compression ou une extension des poutres de flexion 14'.

Le fonctionnement des deux modes de réalisation préférentiels du capteur selon l'invention, sera décrit ci-après à l'aide de la figure 5 pour le capteur 10 du premier exemple de réalisation préférentiel de l'invention. La figure 5 est une vue de dessus du capteur 10 représentée sous une forme schématique et montrant les chemins du courant. A la figure 5, les flèches portant la référence 11, désignent le flux du courant à travers les poutres de torsion 12, alors que les flèches portant la référence 12, désignent le flux du courant traversant les poutres de flexion 14. Si la masse sismique 11 subit une accélération dans la direction z, c'est-à-dire dans une direction perpendiculaire à sa direction d'extension, cela se traduit par un couple autour de l'axe de torsion, car le centre de gravité de la masse 11 ne se situe pas sur l'axe de torsion. Les poutres 12 sont ainsi tordues, ce qui engendre des tensions mécaniques internes modifiant la résistance électrique. Comme une torsion génère toujours une tension de poussée indépendamment du sens, la valeur de la résistance électrique mesurée sur le chemin du courant 11, donne une information relative à l'amplitude de l'accélération z. Pour avoir en outre le signe algébrique de l'accélération z, on saisit en outre par le chemin du courant 12, la résistance électrique des poutres de flexion 14 qui auront été comprimées ou allongées par le mouvement de la masse sismique 11. En procédant par multiplexage dans le temps, on peut saisir alternativement l'amplitude et le signe algébrique de l'accélération z. La figure 6 est une vue schématique d'un capteur 20 servant à saisir une accélération z correspondant à un troisième

7 exemple de réalisation préférentiel de la présente invention ; le capteur est représenté en vue de dessus. Le capteur 20 selon ce troisième exemple de réalisation de l'invention se distingue des capteurs 10 et 10' en ce qu'il ne nécessite pas de poutres de flexion. Mais il comporte également une masse sismique 21 sous la forme d'une plaque reliée par deux poutres de torsion 22 aux suspensions 23 du substrat. La structure de principe de la masse sismique 21 et des poutres de torsion 22, correspond à celle des exemples de réalisation précédents.

La figure 7 est une vue de côté schématique du troisième exemple de réalisation préférentiel du capteur 20 selon l'invention. La figure 7 montre que la masse sismique 21 présente un débattement même à l'état de repos ce qui se traduit par une précontrainte de la poutre 22. Cette précontrainte de la poutre 22 sert à déterminer le signe algébrique d'une accélération z agissant sur la masse 21. Dans le cas de la poutre de torsion 22, précontrainte, la tension mécanique augmente pour un débattement dans la direction dans laquelle la masse sismique 21 avance et cette tension mécanique diminue pour l'autre sens. Pour une mesure de la résistance électrique de la poutre de torsion 22 pour laquelle une tension est appliquée aux suspensions 23 du substrat, on a un décalage de la valeur mesurée correspondant à la résistance électrique générée par la précontrainte et on retranche cette résistance ce qui permet en même temps d'avoir le signe algébrique et de mesurer l'amplitude de l'accélération z. Ainsi, la plage de mesure se limite à la direction opposée au débattement préalable jusqu'au point où la tension mécanique disparait. La présente invention a été décrite dans le cadre d'un capteur d'accélération z. Mais l'invention se transpose également à d'autres capteurs, par exemple des capteurs de vitesse de rotation ou des capteurs de force.35 NOMENCLATURE

10 capteur d'accélération z 10' capteur 11 plaque/masse sismique 12 poutre de torsion 13 suspension 14 poutre de flexion 14' poutre de flexion 15 suspension 21 masse sismique 22 poutre de torsion 23 suspension15

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1 °) Capteur micromécanique comprenant au moins un substrat et une masse sismique (11) suspendue au substrat par l'intermédiaire d'au moins une poutre de torsion (12) pour mesurer une grandeur physique agissant sur la masse sismique (11), capteur micromécanique caractérisé en ce que tout le volume au moins d'une poutre de torsion (12) est dopé pour constituer une matière piézorésistante. 2°) Capteur micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il est réalisé pour mesurer une grandeur inertielle, notamment une accélération z. 3°) Capteur micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse sismique (11) et au moins une poutre de torsion (12) sont en silicium et au moins une poutre de torsion (12) est dopée de manière homogène. 4°) Capteur micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur (10) est réalisé pour qu'une variation de la résistance électrique d'au moins une poutre de torsion (12) donne une mesure de l'amplitude de la grandeur à mesurer. 5°) Capteur micromécanique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le capteur (10) comporte en outre au moins une poutre de flexion (14) pour déterminer le signe algébrique de la grandeur à mesurer, la poutre de flexion (14) étant installée pour être comprimée ou allongée sous l'effet d'un mouvement de la masse sismique (11). 6°) Capteur micromécanique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' 10 au moins une poutre de flexion (14) se situe dans un plan parallèle à l'extension de la masse sismique (11) dans sa position de repos et écartée de l'axe de torsion d'au moins une poutre de torsion (12), la poutre de flexion (14) s'étendant dans une direction perpendiculaire à la direction de l'axe de torsion. 7°) Capteur micromécanique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le capteur (10) comporte exactement deux poutres de flexion (14) parallèles l'une à l'autre. 8°) Capteur micromécanique selon la revendication 4, caractérisé en ce qu' au moins une poutre de torsion est précontrainte pour déterminer le signe algébrique de la grandeur à mesurer. 9°) Procédé de mesure d'une grandeur inertielle ou d'une force à l'aide d'un capteur micromécanique (10) selon lequel, on suspend une masse sismique (11) par l'intermédiaire d'au moins une poutre de torsion (12) à un substrat, procédé comprenant les étapes suivantes : - déterminer l'amplitude de la grandeur inertielle ou de la force agissant sur la masse sismique (11) en saisissant une variation de la résistance électrique d'au moins une poutre de torsion (12), - toute la section de la poutre de torsion (12) étant utilisée pour saisir la variation de résistance. 10°) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le capteur (10) comporte en outre au moins une poutre de flexion (14) installée pour se comprimer ou s'allonger sous l'effet d'un mouvement de la masse sismique (11) et le signe algébrique de la grandeur inertielle ou de la force se détermine par la saisie d'une variation de la résistance électrique de la poutre de flexion (14). 11 11 °) Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu' on saisit en multiplexage dans le temps alternativement l'amplitude et le signe algébrique de la grandeur inertielle ou de la force. 12°) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu' au moins une poutre de torsion (12) est précontrainte et pour déterminer l'amplitude et le signe algébrique de la grandeur inertielle ou de la force agissant sur la masse sismique (11), on compare la valeur mesurée de la résistance électrique d'au moins une poutre de torsion (12) à la valeur de la résistance correspondant à la précontrainte. 20