Brevet FR2581178A1 — publié le 19861031

CAPTEUR ELECTRIQUE POUR MESURER DES GRANDEURS MECANIQUES L'invention concerne un capteur électrique pour mesurer des grandeurs mécaniques, comportant une languette mobile sollicitée par la grandeur mécanique à mesurer, la flexion de cette languette étant convertie en un signal électrique. De nombreux capteurs de ce genre sont connus et décrits, par exemple sous le mot-clé "Geber" (capteurs) dans l'ouvrage de Christoph Rohrbach intitulé "Handbuch fur elektrisches Messen mechanischer GrPBe" (Manuel de la mesure électrique de grandeurs mécaniques), éditions VDI-Verlag, DUsseldorf, 1967. Dans de tels capteurs, une grandeur mécanique à mesurer, par exemple la force, agit sur une languette généralement réalisée sous la forme d'une poutre travaillant en flexion, dont la flexion est mesurée capacitivement, électromagnétiquement, optiquement, ou de toute autre manière connue. De tels capteurs peuvent, certes, être très sensibles, mais se prêtent généralement mal à une miniaturisation. La présente invention a pour but de réaliser un capteur très sensible pouvant être miniaturisé, capable d'être fabriqué notamment par des procédés tels que ceux habituellement utilisés dans la technique des semiconducteurs. Ce capteur doit notamment permettre la mesure de l'effet de forces gravifiques. Selon l'invention, ce but est atteint, avec un capteur électrique du genre mentionné au début, par le fait que le bout de la languette est aménagé en électrode de commande d'un transistor à effet de champ dont le trajet source-drain est un canal de conduction électrique situé en vis-à- vis de ce bout, à faible distance de celui-ci. Parmi les divers modes de réalisation possibles, l'invention prévoit notamment que: - deux trajets source-drain, qui sont mutuellement parallèles et sont agencés perpendiculairement à la direction du fléchissement de la languette, sont situés en vis-à-vis du bout de cette languette; - la languette est inamoviblement assemblée, par l'intermédiaire d'une carcasse, au(x) trajet(s) source-drain; - la languette et la carcasse sont constituées par un substrat semi-conducteur; - la languette présente un corps d'interaction, pour interagir avec au moins un champ extérieur; - au moins un circuit amplificateur intégré est aménagé sur la caracasse; et - des électrodes sont agencées parallèlement à la languette, pour engendrer des forces de rappel sur la languette. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus complètement dans la description présentée dans ce qui suit, à titre d'exemple non limitatif, en se reportant au dessin annexé dont les figures représentent schématiquement: - la figure 1, une vue en perspective d'un capteur selon l'invention; et la figure 2, le schéma électrique des éléments du capteur avec amplificateur incorporé. Le capteur représenté sur la figure 1 est constitué par un substrat semiconducteur, par exemple en silicium, dans lequel sont réalisés par un processus usuel en technique de fabrication de composants semiconducteurs, par exemple par lithographie, gravure chimique, dopage, etc., une languette 1, une deuxième languette 2 en vis-à-vis de la languette 1, et une caracasse mécaniquement résistante assemblant ces languettes. La languette 1 présente une faible épaisseur dI se situant dans le domaine micrométrique (un ou plusieurs micromètres), et est relativement longue par rapport à cette épaisseur, de sorte qu'elle peut remplir la fonction d'une poutre déformable en flexion. En outre, par dopage ou par métallisation, la languette 1 a été dotée d'une bonne conductibilité électrique et d'une extrémité 1.1 constituant une électrode permettant l'application d'une tension externe par l'intermédiaire d'un conducteur de connexion 1.2. L'électrode 1.1 est séparée du reste du substrat de la carcasse 3 par une couche d'arrêt bipolaire adéquate 4, de sorte que son potentiel n'exerce aucune influence sur les autres parties du capteur. La languette 1 a été élaborée, par exemple par gravue chimique, à partir d'un susbstrat en forme de plaquette, en laissant subsister sur cette languette 1, en un endroit approprié de celle-ci, une plus grande quantité 5 de matière du substrat. Cette masse 5 sert à l'interaction mécanique, par exemple avec la pesanteur, et conduit, lors de l'action de celle-ci ou d'une accélération, à un fléchissement de la languette 1. Bien entendu, la masse 5 peut aussi être faite d'une autre matière, par exemple d'une matière ferromagnétique, et être rapportée sur la languette 1 après confection de celle-ci, une telle masse permettant alors de mesurer par exemple des forces magnétiques. Comparativement à la languette 1, la deuxième languette 2 est relativement courte. Son épaisseur d2 se situe aussi dans le domaine micrométrique. Les deux languettes 1 et 2 sont séparées l'une de l'autre par un interstice a relativement étroit, dont la valeur se situe également dans le domaine micrométrique. Deux structures incomplètes de transistors à effet de champ, F1 et F2, mutuellement isolées du point de vue électrique sont implantées dans le substrat, sur le côté de la languette 2 situé en vis-à-vis de la languette 1, dans les régions respectives de l'arête supérieure et de l'arête inférieure de la coupe. Chacune de ces structures ne comporte que le très mince canal de conduction d'un trajet source-drain et les connexions correspondantes. La conductibilité des deux canaux à effet de champ, F1 et F2, est commandée par l'intensité du champ électrique entre les languettes 1 et 2. La languette 1 assume donc la fonction d'électrode de commande, ou grille, pour les deux canaux à effet de champ F1 et F2. Si aucune force n'agit sur la languette 1, c'est alors un champ électrique approximativement identique qui agit sur les deux canaux F1 et F2. Les largeurs d1 et d2 de l'interstice a entre les languettes 1 et 2, le dimensionnement des canaux à effet de champ F1 et F2, ainsi que l'intensité du champ électrique entre les languettes 1 et 2 doivent être choisis de façon que, lorsque la languette 1 est à sa position de repos, les deux "transistors à effet de champ" se trouvent à un point de travail avantageux. Si la languette 1 est déformée par une force, le champ électrique n'est alors plus le même pour les deux canaux à effet de champ F1 et F2 dont les conductibilités prennent des valeurs différentes. Un amplificateur 6 est intégré sur le substrat 3. A partir de la différence des conductibilités des deux canaux à effet de champ F1 et F2, cet amplificateur engendre un signal de sortie qui est, autant que possible, proportionnel à la flexion de la languette 1 par rapport à sa position de repos. A cet effet, on peut utiliser, par exemple, le montage en pont avec un amplificateur opérationnel 0 représenté sur la figure 2. Dans de nombreux cas, il peut être avantageux de compenser le fléechissement de la languette 1 par une force antagoniste, ce qui, dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, peut être réalisé en agençant des électrodes de déviation 7, une au-dessus et l'autre audessous de la languette 1, à faible distance de celle-ci. Des différences de potentiel appropriées entre la languette 1 et ces électrodes peuvent engendrer une force compensatrice permettant, par exemple, de ramener la languette à sa position de repos, indépendamment de l'action de forces gravifiques. Si le signal de sortie de l'amplificateur 6 est utilisé pour réguler cette force compensatrice, la languette 1 se trouve alors toujours, indépendamment de la force gravifique agissant sur elle, à sa position de repos, donc au point de travail optimal des "transistors à effet de champ". Dans ce cas, la différence de tension entre électrodes de déviation et languette 1 représente la valeur de la mesure de la force agissante. Les électrodes doivent être protégées par un blindage statique empêchant qu'elles aient une influence quelconque sur les canaux à effet de champ F1 et F2. L'ensemble du capteur peut être disposé dans le vide, dans un gaz ou dans un liquide isolant de manière à obtenir des valeurs d'amortissement appropriées à l'amortissement des vibrations de la languette 1. Bien entendu, le fléchissement de la languette peut être produit autrement que par un champ extérieur. Par exemple, il peut être produit par contact direct au moyen d'une tige, permettant ainsi la mesure de petits déplacements ou de petites longueurs. REVENDICATIONS: 1. Capteur électrique pour mesurer des grandeurs mécaniques, comportant une languette mobile sollicitée par la grandeur mécanique à mesurer, la flexion de cette languette étant convertie en un signal électrique, caractérisé en ce que le bout de la languette (1) est aménagé en électrode de commande d'un transistor à effet de champ dont le trajet source-drain est un canal de conduction électrique (F1, F2) situé en vis- à-vis de ce bout, à faible distance (a) de celui-ci. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux trajets source-drain (F1, F2), qui sont mutuellement parallèles et sont agencés perpendiculairement à la direction du fléchissement de la languette (1), sont situés en vis-à-vis du bout de cette languette (1). 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la languette (1) est inamoviblement assemblée, par l'intermédiaire d'une carcasse (3), au(x) trajet(s) source-drain (F1, F2). 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la languette (1) et la carcasse (3) sont constituées par un substrat semi-conducteur. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la languette (1) présente un corps d'interaction (5) pour interagir avec au moins un champ extérieur. 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'au moins un circuit amplificateur intégré (6) est aménagé sur la caracasse (3). 7. Capteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par des électrodes (7) agencées parallèlement à la languette (1), pour engendrer des forces de rappel sur la languette.