Brevet FR2580389A2 — publié le 19861017

FR 2580389 A2 19861017 FR 8505690 A 19850416 -- 1 -- ACCELEROMETRE MICRO-USINE A RAPPEL ELECTROSTATIQUE. La présente invention concerne un accéléromètre utilisant un capteur accélérométrique à structure pendulaire plane du type de celles qui se trouvent décrites dans le brevet prin- cipal. On rappelle que selon le brevet principal, cette structure pendulaire est réalisée par micro-usinage d'un substrat consistant en une fine plaquette de quartz (ou autre mono- cristal) et par dépôt sous vide de surfaces conductrices judicieusement disposées. Elle comprend une masse mobile plate (ou corps d'épreuve) suspendue au reste de la structu- re par l'intermédiaire de deux lames minces parallèles situées de part et d'autre de ladite masse. Ces lames de suspension ont pour épaisseur l'épaisseur du substrat et sont extrêmement étroites. Elles permettent à la masse mobile de se déplacer en translation dans une direc- tion parallèle au plan du substrat en n'opposant qu'une faible force de rappel élastique, de sorte que l'axe sensi- ble du capteur est situé dans le plan du substrat. Ces lames de suspension portent des conducteurs assurant la continuité électrique entre des plages métallisées liées à la masse mobile et des zones de raccordement situées sur la partie fixe du substrat. 2 - Par ailleur, ce brevet principal propose, pour l'asservisse- ment du capteur, un moteur de rappel utilisant la force de Laplace obtenue par l'action d'une induction magnétique sur un courant circulant dans au moins une bobine imprimée sur l'une des faces de la masse mobile. Il est clair que cette solution, en plus du- fait qu'elle nécessite la réalisation de la bobine, fait intervenir un circuit magnétique comprenant habituellement un aimant permanent associé à des pièces polaires situées d'un côté de la masse mobile, au droit de la bobine, et une armature de rebouclage du flux disposée de l'autre côté de ladite masse. En outre, il est nécessaire de réaliser des connexions délicates entre la bobine et les plages de connexion ou les circuits électroniques situés sur la partie fixe de la structure pendulaire, ces connexions étant formées par 'des couches conductrices disposées sur les lames de suspension. L'invention a plus particulièrement pour but la réalisation d'un accéléromètre comprenant un capteur accélérométrique de type similaire à celui précédemment décrit, mais utili- sant une motorisation et des moyens d'asservissement d'un type mieux approprié pour obtenir une réalisation simplifiée de l'ensemble, qui soit moins volumineuse et moins coûteuse, et qui permette une très haute miniaturisation. A cet effet, l'accéléromètre selon l'invention comprend un capteur accélérométrique du type susdit, et dans lequel la masse mobile comprend au moins une armature mobile de condensateur et la partie fixe de l'élément pendulaire comprend deux armatures fixes de condensateur disposées de part et d'autre de l'armature mobile. L'armature mobile est alors portée à une tension V0, tandis que les armatures fixes sont respectivement portées à des tensions V1 et V2 susceptibles d'engendrer, sur la masse mobile, une force de rappel électrostatique de la forme: FR = [(V1 - 20)- V0)2 CO=s 1 2 580389 -3 - formule dans laquelle: So est la constante diélectrique, S est la surface en regard des armatures, e est la distance moyenne entre l'armature mobile et les armatures fixes, x est le déplacement relatif de la masse mobile. A partir de la structure précédemment décrite, la mesure de l'accélération détectée par le capteur accélérométrique peut être effectuée par l'une des deux solutions suivantes: La première solution consiste à asservir les écarts (V1 - V0) et (V2 - V0) de telle manière que: V1 - V0 = k (e - x) V2 - V0 = k (e + x) k étant un coefficient de valeur constante résultant d'un réglage, et à mesurer l'écart de tension V2 - V1 qui est proportionnel à l'écart de position de la masse mobile et, en conséquence, à l'accélération apparente en régime perma- nent. La deuxième solution consiste à asservir la masse mobile en position, grâce aux tensions V0, V1 et V2 et à mesurer la force de rappel FR nécessaire. Des modes d'exécution de l'invention seront décrits ci- après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est un schéma de principe de la structure d'un capteur accélérométrique selon l'invention; La figure 2 est une vue partielle en perspective à plus grande échelle du capteur accélérométrique de la -4 figure 1, dans lequel on a représenté le détail des métallisations; La figure 3 est un schéma électrique permettant d'illustrer le principe de fonctionnement de l'accé- léromètre selon l'invention; La figure 4 est une vue schématique d'un accéléromètre deux axes ou inclinomètre obtenu à l'aide de deux capteurs accélérométriques du type de celui de la figure 1, usinés sur un même substrat; La figure 5 est le schéma d'un autre mode d'exécution d'un accéléromètre deux axes utilisant trois capteurs accélérométriques. Tel que représenté sur la figure 1, le capteur accéléromé- trique est réalisé à partir d'un substrat consistant en une fine plaquette 1 ou un monocristal, tel que du quartz, à l'intérieur de laquelle ont été réalisées des découpes 2, délimitant une masse mobile constituée par une poutre porteuse 3 suspendue élastiquement au reste de la plaquette 1 par l'intermédiaire de deux lames minces 4, 5 qui présen- tent la même épaisseur que le substrat et sont relativement étroites. Cette poutre 3 peut donc se déplacer en translation selon un axe sensible X'X perpendiculaire aux lames minces 4, 5. Par ailleurs, elle porte une succession de dents de détection et de rappel 5a à 5f et 6a à 6d qui s'étendent perpendiculaire- ment à l'axe sensible X'X à partir de ses deux bordures longitudinales 7, 8. Ces dents s'engagent dans des évide- ments de formes sensiblement complémentaires de la partie fixe du substrat, qui délimitent une succession de dents fixes 9a à 9g et 10a à 10e venant s'intercaler entre les dents mobiles 5a à 5f et 6a à 6d de la poutre 3. - 5 - Les tranches des dents mobiles 5a à 5f et 6a à 6d qui sont métallisées forment, avec les tranches des dents fixes 9a à 9g et 10a à 10e, également métallisées, des capacités dont l'entrefer varie directement avec le déplacement relatif de la poutre porteuse 3 (les unes augmentant alors que les autres diminuent et vice versa). La figure 2 montre le détail des métallisations réalisées sur le capteur accélérométrique. Dans cet exemple, la poutre porteuse 3 est recouverte, au moins au niveau de l'une de ses faces latérales, par une couche conductrice 12, qui s'étend également sur la face latérale correspondante des dents 5a à 5f et 6a à 6d. D'une façon analogue à celle décrite dans le brevet princi- pal, cette couche conductrice 12 est électriquement reliée à des plages de connexion prévues sur la partie fixe du sub- strat, au moyen de couches conductrices formées sur les faces minces des lames souples 4, 5. Par ailleurs, les tranches des dents mobiles sont recouver- tes par des métallisations 14, 15 prolongeant, à angle droit, la couche conductrice 12. Les tranches-des dents fixes portent chacune une métallisa- tion 16, 17 formant, avec la métallisation 14, 15 de la tranche d'une dent mobile en vis-à-vis, un condensateur plan. Cette métallisation vient légèrement en retour sur au moins l'une des faces latérales de la dent en formant ainsi une plage de connexion 18a, 18b - 19a, 19b qui se prolonge sur la partie fixe du substrat o elle peut être connectée au circuit électronique de l'accéléromètre. Grâce à ses métallisations, chacune des dents mobiles 5a à 5f, 6a à 6d forme avec les tranches métallisées 16, 17 des deux dents fixes 9a à 9g, 10a à 10e qui lui font face, un double conden- sateur dont le schéma électrique est représenté sur la figure 3. - 6 - Sur celle-ci, on a simplement indiqué une armature mobile 20 suspendue à l'intérieur d'un boîtier 21 par un dispositif de suspension 22 et, de part et d'autre et à égale distance de cette armature mobile 20, deux armatures fixes 23, 24. L'armature mobile 20 correspond aux tranches métallisées 14, des dents portées par la poutre 3, tandis que les deux armatures fixes 24, 25 correspondent aux métallisations 16, 17 des tranches des dents 9a à 9g, 10a à 10e réalisées dans la partie fixe du substrat. Les capacités des deux condensateurs Cl, C2 formés par l'armature mobile 20 et les deux armatures fixes 23, 24 sont données par les relations: C0 C1 = x 1 -- e C0 e dans lesquelles e est l'entrefer moyen des deux condensateurs, x est le déplacement relatif de l'armature mobile, C0 est la valeur de la capacité des deux condensateurs pour x = 0. Il apparaît clairement tout d'abord qu'en mesurant la capa- cité C1 ou C2, il est possible d'obtenir facilement la valeur du déplacement x. Par ailleurs, la force de rappel FR obtenue par l'applica- tion d'une tension V0 sur l'armature mobile 20, d'une tension V1 sur l'armature fixe 24 et d'une tension V2 sur l'armature fixe 23, est obtenue par la relation: - =2 V 2 0)2 FuR F (V21- 2 2 Le-x2 (e2+ x)2 -7- dans laquelle cO est la constante diélectrique, et S est la surface des métallisations en regard. Comme précédemment mentionné, la mesure de l'accélération à l'aide d'une telle structure peut s'effectuer selon les deux solutions suivantes: La première solution consiste à asservir les tensions V1 - V0 et V2 - V0, de telle sorte que: V1 - V0 = k (e - x) V2 - V0 = k (e + x) Dans ce cas, la force de rappel créée par les tensions V0, V1 et V2 est nulle et l'écart V2 - V1 est proportionnel à l'écart de position de la masse mobile 20. Cet écart de position étant proportionnel à l'accélération apparente, on réalise donc une mesure en boucle ouverte de cette accéléra- tion. La deuxième solution consiste à asservir la masse mobile en position, grâce aux tensions V0, V1, V2. La force FR néces- saire est alors proportionnelle à l'accélération apparente. Un moyen de la mesurer est d'asservir V0 et V2 avec V0 = constante V2 = - V ce qui donne: FR = KV1 V0 = K'V1 K étant une constante et K' = KV0 La mesure ne dépend alors plus de l'élasticité du substrat. En pratique, il faut, soit utiliser deux systèmes de capaci- tés indépendantes, une pour la détection de la position par mesure capacitive, l'autre pour le rappel, soit utiliser des -8- tensions Vi comprenant une composante continue responsable du rappel et une composante alternative de faible amplitude ou d'amplitude contrôlée permettant la détection de posi- tion. Ainsi, sur la figure 3, on a également représenté, en traits interrompus, un système de capacité indépendante comprenant une armature fixe 30 et une armature mobile 31 solidaire en mouvement de l'armature 20. Les armatures 30 et 31 sont respectivement portées à des tensions V3 V4 et sont connec- tées à un bloc de mesure-32 des déplacements x. De même, les armatures V1, V2 et V0 sont connectées à un circuit d'asser- vissement (bloc 33). Les deux blocs 32 et 33 sont eux-mêmes reliés à un circuit de mesure de l'accélération apparente (bloc 34). Il est avantageux, pour des raisons de coût, de performances et d'encombrement, d'usiner simultanément deux structures de détection 35, 36 sur le même substrat 37. Le calage angulaire relatif des deux axes sensibles dans le plan du substrat est alors particulièrement stable en température. Dans le cas du quartz a coupe Z, la structure du cristal est mise à profit par la disposition (figure 4) o les deux axes sensibles XX', YY' font, entre eux, un angle de 120 . Deux sommes pondérées des sorties de chaque structure donnent alors des accélérations apparentes selon deux axes orthogo- naux contenus dans le plan du substrat. D'autre part, toujours dans le cas particulier o l'on utilise du quartz a, l'image de trois structures 38, 39, 40 ayant des axes sensibles X, X' Y, Y' - Z, Z' à 1200 l'un de l'autre dans le même substrat (figure 5) permet, moyen- nant une augmentation faible de l'encombrement et du coût, d'obtenir une redondance améliorant la fiabilité et la testabilité fonctionnelle. - 9 - Un tel type de structure est particulièrement adapté aux applications de type inclinomètre pour lesquelles on cherche à mesurer les composantes de l'accélération apparente sur un plan donné. 258038E - 10 - Revendications de brevet 1. Accéléromètre utilisant au moins un capteur accélérométrique à structure pendulaire plane réalisée, conformément à la revendication 1 du brevet principal, par micro-usinage d'un substrat consistant en une fine plaquette de monocristal et comprenant une masse mobile plate (3) suspendue au reste de la structure par l'intermédiaire de deux lames minces parallèles (4, 5) situées de part et d'autre de ladite masse (3), caractérisé en ce que ladite masse mobile (3) comprend au moins une armature mobile de condensateur (14, 15), et la partie fixe de l'élément pendulaire comprend au moins deux armatures fixes de condensateur (16, 17) disposées de part et d'autre de l'armature mobile (14, 15), et en ce que l'armature mobile (14, 15) est portée à une première tension V0, tandis que les armatures fixes sont respectivement portées à une deuxième et une troisième tensions V1 et V2 qui sont susceptibles d'engendrer, sur la masse mobile (3), une force de rappel électrostatique FR. 2. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: - des moyens pour asservir l'écart (V1 - V0) entre la deuxième et la première tensions et l'écart (V2 - V0) entre la troisième et la première tensions, de telle manière que: V1 - V0 = k (e - x) V2 - V0 = k (e + x) expressions dans lesquelles e est la distance moyenne entre l'armature mobile (20) et les armatures fixes (23, 24), x est le déplacement relatif de la masse mobile et k est une valeur constante; et - 11 - - des moyens pour mesurer l'écart de tension V2 - V1 qui est proportionnel à l'écart de position x de la masse mobile et, en conséquence, à l'accélération apparente en régime permanent. 3. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour asservir la masse mobile (3) en position, grâce aux tensions V0, V1 et V2 appliquées sur les armatures fixes (16, 17) et mobiles (14, 15) et pour mesurer la force de rappel nécessaire FR qui est proportionnelle à l'accélération apparente. 4. Accéléromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend, en plus de la susdite armature mobile (20) et des deux armatures fixes (23, 24), un système de capacité indépendante comprenant au moins un couple armature mobile (31) armature fixe (30) supplémentai- re, pour la détection de position. 5. Accéléromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que les susdites première, seconde et troisième tensions VO, V1, V2 comprennent une composante continue pour engendrer la force de rappel FR et une compo- sante alternative de faible amplitude ou d'amplitude contr8- lée pour la détection de position. 6. Accéléromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la susdite masse mobile comprend une poutre porteuse (3) qui porte une succession de dents mobiles (Sa à 5f) et (6a à 6d) qui s'engagent dans des évidements de formes sensiblement complémentaires de la partie fixe du substrat qui délimitent une succession de dents fixes (9a à 9g) et (10Oa à 10e) s'intercalant entre les dents mobiles (5a à Sf) et (6a à 6d) de la poutre (3), et en ce que les tranches des dents mobiles qui sont métallisées forment, avec les tranches des dents fixes, également métal- - 12 - lisées, des capacités dont l'entrefer varie directement avec le déplacement relatif de la poutre porteuse (3). 7. Accéléromètre biaxial, caractérisé en ce qu'il comprend deux accéléromètres (35, 36) selon l'une des revendications précédentes, formés sur un même substrat (37) et dont les axes sensibles X, X' et Y, Y' font un angle de 120 . 8. Accéléromètre triaxial, caractérisé en ce qu'il comprend trois accéléromètres (38, 39, 40) selon l'une des revendications 1 à 6, formés sur un même substrat (41), dont les axes forment entre eux des angles de 120 . 9. Accéléromètre selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le susdit substrat (37, 41) consiste en une plaquette de quartz coupe Z.