Brevet FR2585474A1 — publié le 19870130

La présente invention concerne un accéléromètre intégré et à compensation de forces, du type à boucle fermée. Plus particulièrement, cette invention concerne un accéléromètre intégré réalisé dans un substrat semiconducteur qui comporte des dispositifs électroniques associés d'asservissement et de traitement du signal, formés dans un substrat commun. L'intégration de capteurs et de leurs circuiteries associées de traitement du signal sur une pastille unique de silicium a débuté par des capteurs de pression il y a dix ans environ. Des efforts soutenus sont actuellement en cours à différentes universités et dans des laboratoires de recherche industrielle pour étendre cette technologie à de nombreuses applications, y compris à des accéléromètres. Jusqu'à présent, on a construit et testé des accélé- romètres intégrés du type à boucle ouverte. Un exemple typique de ces dispositifs à boucle ouverte constituent les accéléromètres qui comportent une poutre encastrée par une extrémité, faite d'un substrat semi-conducteur et à l'extrémité libre de laquelle est attachée une masse d'inertie. Des éléments capteurs piézorésistifs sont disposés sur des côtés opposés d'une telle structure en porte à faux. La résistance électrique de ces éléments capteurs varie lorsque la masse se déplace en réponse à des forces d'accélération, ce qui produit des contraintes sur la poutre encastrée à une extré- mité. Ces accéléromètres à boucle ouverte présentent l'inconvénient d'avoir une médiocre stabilité à zéro, une haute hystérésis et une sensibilité excessive aux variations de température. La présente invention apporte une extension de la technologie des accéléromètres à boucle ouverte à la construction des accéléromètres plus précis à boucle fermée dont on a besoin dans les applications à des systèmes de guidage par inertie et de navigation inertielle dans l'aéronautique. L'invention apporte un accéléromètre à boucle fermée, à compensation de forces, qui est produit, sensiblement de la même manière que les circuits intégrés, par traitement par lots de plaquettes de silicium. L'accéléromètre selon l'invention comporte une masse d'inertie centrale qui est un élément essentiel et est faite d'un substrat semi-conducteur, de silicium par exemple, qui peut être dopé pour la formation d'éléments conducteurs aux endroits o cela est nécessaire. La masse d'inertie est attachée au reste du substrat par des charnières qui sont toutes formées par gravure anisotrope du monocristal de silicium. Les charnières relient la masse d'inertie au reste du substrat dans une disposition en porte à faux. La liaison par une extrémité de la masse d'inertie au reste du substrat est réalisée, de préférence, au moyen de charnières constituées par des lames souples formant un système de poutres croisées. Les lames sont formées chacune par gravure d'une rainure en V dans les faces opposées du substrat semi- conducteur, de manière à laisser subsister une mince lame inclinée de silicium qui relie la masse d'inertie au reste du substrat. Une deuxième lame souple est formée par des rainures semblables qui sont décalées d'environ la moitié de la largeur d'une rainure par rapport au premier jeu de rainures. Le deuxième jeu de rainures est inversé par rapport au premier. Ainsi, la lame souple obtenue présente une inclinaison contraire à la lame formée par le premier jeu de rainures. En raison du décalage et de l'inversion, les deux lames souples se croisent au niveau de leurs sections médianes, ce qui procure une grande facilité de rotation de la masse d'inertie autour d'un axe qui est parallèle au plan du substrat de silicium et, en même temps, une haute résistance à la rotation ou à la translation en d'autres directions. Un accéléromètre à boucle fermée, susceptible d'être fabriqué selon des technologies bien connues dans le domaine des semi-conducteurs et comprenant, par exemple, la gravure photolitho- graphique et la gravure différentielle, offre de nombreux avantages, y compris le respect de tolérances serrées et la possibilité d'intégrer toute ou partie de l'électronique de l'accéléromètre dans un unique substrat commun de taille relativement petite. De plus, un tel accéléromètre permet une commande par micro-ordinateur, ce qui procure à l'utilisateur la possibilité d'une adaptation à ses besoins et d'un calibrage du dispositif pour son application spécifique. -3 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue arrachée, en perspective, montrant un accé-léromètre intégré, à compensation de forces, monté dans un boîtier typique en vue d'une utilisation dans un système; - la figure 2 est une vue éclatée, en perspective, d'une pastille d'accéléromètre fabriquée de plaquettes de silicium et de "Pyrex"; - la figure 3 est une vue en plan de la masse d'inertie et de sa suspension par lames souples selon l'invention; - la figure 4 est une coupe prise suivant la ligne IVIV de la figure 3; - la figure 5 est une vue en perspective montrant le montage en porte à faux et par lames souples de la masse d'inertie selon l'invention dans une configuration légèrement différente; et - la figure 6 représente un schéma électrique de l'accéléromètre intégré selon l'invention. La figure 1 montre, par une vue en perspective avec des arrachements, un accéléromètre intégré 10, à compensation de forces, qui est monté dans un boîtier 12. Le boitier comporte quatre parois latérales 14 et deux pattes de fixation 16 qui dépassent de deux parois latérales opposées. Des broches de connexion 18 sont insérées dans les deux parois opposées restantes pour le raccordement électrique de l'accéléromètre 10. Des circuits hybrides séparés forment un amplificateur 20 et un circuit de compensation 22 montés dans le boîtier 12. L'accéléromètre comporte un substrat semi-conducteur 24, voir en particulier la figure 2, qui peut être en silicium et être disposé en sandwich entre deux couches isolantes 26 et 28 en "Pyrex" ou un autre matériau diélectrique adéquat. L'accéléromètre représenté peut être fabriqué selon des techniques connues de gravure anisotrope. La fabrication du système est simplifiée, en outre, par la facilité de son adaptation à des techniques connues de fabrication de circuits intégrés, permettant la formation de dispositifs électroniques formant un capteur, un étage d'attaque et un dispositif de traitement de données, de même que, notamment, un amplificateur 30 de remise à l'état initial ou de rappel de l'accéléromètre, à la surface du substrat semi-conducteur 24. L'accéléromètre 10 comporte une masse d'inertie 32 qui est sensible aux accélérations perpendiculaires au plan du substrat 24. La masse 32 présente une première surface conductive 34 qui forme un capteur de déplacement ou transducteur capacitif en combinaison avec une surface conductive 36 formée sur le côté inférieur du substrat isolant 28 du haut. Comme on peut le voir sur la figure 2, la masse d'inertie 32 est attachée au reste du substrat 24 par une charnière simple 38 semblable à une bande et située à une extrémité de la masse 32. Cette charnière 38 peut être formée par gravure anisotrope de l'une ou de l'autre face, ou des deux faces, du substrat semi- conducteur 24. Une technique semblable peut être utilisée pour dégager la masse d'inertie 32 du substrat 24 sur les trois côtés restants de la masse 32. Des variantes de réalisation de la charnière 38 seront décrites de manière plus détaillée dans ce qui va suivre en référence aux figures 3-5. La surface du substrat 24 peut être dopée ou métallisée en vue de la formation d'une piste conductive entre l'amplificateur 30 et la surface conductive 34. Le côté opposé de la masse d'inertie 32 porte une deuxième face conductive 34, visible sur la figure 4, qui est située en face d'une surface conductive 40 sur le substrat non conducteur 26 en bas. L'application d'un potentiel électrique par l'ampli- ficateur 30 aux surfaces conductives 34, situées entre les surfaces conductives 36 et 40 des couches isolantes 28, 26, crée, de façon connue, un champ de polarisation. Ce champ sert à rappeler la masse d'inertie 32 présentant les surfaces conductives 34 - vers une position zéro ou position neutre. Les accélérations d'un corps solidaire de l'accéléromètre 10 provoquent le déplacement de la masse d'inertie 32, ce qui déséquilibre le pont de capacités formé en partie par les plaques 36 et 40 et les surfaces conductives 34, ce qui engendre un signal électrique de sortie appliqué à l'ampli- ficateur 30. Le système décrit dans ce qui précède assure un mode de fonctionnement à boucle de rétroaction fermée et qui maintient la plage de mouvement de la masse d'inertie dans un espace extrêr mement restreint. Les figures 3 et 4 représentent un deuxième type de charnière 39 qui, selon le mode de réalisation préféré, est constitué de lames souples 42 formant un système de poutres croisées. Les lames 42 sont formées par une gravure anisotrope d'un mono- cristal de silicium. Le silicium présente l'orientation (1,0,0) d'une plaquette de silicium et est recouvert d'un masque avant la gravure, laquelle forme une rainure en V 44 dans la face supérieure et dans la face inférieure du substrat 24. Lorsqu'on examine éga- lement la coupe de la figure 4, prise suivant la ligne IV-IV de la figure 3, on voit que la rainure 44 du haut est décalée vers la gauche par rapport à la rainure 44 du bas. La mince lame 42, qui reste en place entre les rainures 44 après l'élimination du silicium des rainures par l'agent de gravure anisotrope, est inclinée par rapport au plan du substrat semi-conducteur 24. La deuxième lame souple 42' est formée par une paire semblable de rainures 44 en V, ménagées dans les faces opposées du substrat 24 de manière à former une lame 42' d'inclinaison contraire à celle de la lame 42, avec laquelle elle forme un angle d'environ 70 , et de manière que les sections médianes des deux lames se croisent. Les lames souples constituent ainsi ce que l'on appelle un système de poutres croisées. La figure 3 montre que la charnière 39 est constituée en fait de deux paires de lames souples croisées 42 et 42'. Pendant la gravure pour la formation des lames, le substrat 24 est masqué de manière que la masse d'inertie 32 soit en même temps dégagée du reste du substrat au droit du pourtour 46. La masse d'inertie 32 et les lames souples 42 et 42' sont dopées, au bore par exemple, pour former des surfaces conduc- tives. Ce dopage peut se prolonger le long de la surface du substrat 24 jusqu'à un plot de contact 48, voir la figure 3. La région ainsi dopée est attaquée beaucoup plus lentement par l'agent de gravure que les régions non dopées. La profondeur de la région dopée peut ainsi être utilisée pour ajuster l'épaisseur des lames souples. Les surfaces conductives peuvent également être formées par des techniques de métallisation semblables à celles employées pour former les surfaces conductives 36 et 40 sur les substrats 28 et 26. En utilisant une telle technique, on réalise également des connexions électriques entre les surfaces conductives 36 et 40 et les plots de contact 50 et 52 sur les substrats 26 et 28. Il est préférable d'alléger la masse d'inertie 32 en enlevant le silicium excédentaire de la partie du substrat semi- conducteur formant la masse d'inertie. Une méthode pour enlever ce matériau excédentaire consiste à graver des creux 54 dans les faces opposées de la partie concernée du substrat 24, de manière à lui donner une forme rappelant celle d'une gaufre. Un trou central 56 est gravé en plus dans la masse 32 pour équilibrer la capacité des surfaces 34 et pour maintenir le centre de gravité de la masse en son milieu. On comprendra que la masse de l'élément d'inertie 32 doit être maintenue aussi faible que possible afin d'obtenir un rapport aire de surface/masse aussi grand que possible. La figure 5 montre un exemple de réalisation de la charnière 39 à lames souples, par l'intermédiaire de laquelle la masse d'inertie 32 est supportée par le substrat 24. On voit que la gravure des rainures 44 en V a produit deux paires de lames croisées 42 et 42' dont les centres se trouvent sur une ligne commune située dans un plan contenant le centre de gravité et qui est parallèle au plan du substrat 24. Il est à noter que la charnière représentée sur la figure 5 diffère de la disposition selon la figure 3 en ce sens que l'espacement prévu au centre est plus grand. Bien entendu, d'autres modifications sont possibles dans le cadre de l'invention. La structure en silicium peut être fabriquée par des sociétés spécialisées dans la fabrication de structures de silicium minia- tures et de forme complexe. On peut citer, notamment, Transensory Devices, Inc., Fremont, California et Dielectric Semiconductor, Santa Clara, California. La figure 6 représente une circuiterie typique pouvant être utilisée en combinaison avec l'accéléromètre 10. Ce circuit est réalisé autour d'un amplificateur de rappel d'accéléromètre 30 dont la sortie est reliée à une borne de sortie 61 et, à travers une boucle de rétroaction, au plot de contact 48, lui-même relié aux surfaces conductives 34 de la masse d'inertie 32, disposées entre L'électrode conductive 36 du haut et l'éLectrode conductive 40 du bas. Les électrodes 36 et 40 sont connectées à travers des conden- sateurs de blocage 64 et 66 aux bornes d'entrée de l'amplificateur 30. Le plot de contact 52 est connecté à une jonction 68 puis à l'élec- trode 36. De façon analogue, le plot de contact 50 sur le substrat 26 du bas est connecté à travers une jonction 70 à l'électrode 40. Entre les jonctions 68 et 70 sont connectés deux condensateurs 72 et 74 dont le point commun est relié à une source de courant alter- natif 76, telle qu'une source de 50 kilohertz formant la partie restante du capteur constitué par le pont de capacités. Les bornes 50 et 52 sont maintenues à moins 15 volts, respectivement à plus 15 volts courant continu. Pendant le fonctionnement, le déplacement vers le haut de la masse d'inertie 32 provoque la diminution de la tension alternative sur l'électrode 36 et l'augmentation de la tension alternative sur l'électrode 40. Ce changement est appliqué à l'entrée de l'amplificateur 30, lequel produit un signal de rétroaction qui est appliqué à la borne 48 pour être transmis à la masse d'inertie 32 en vue du rappel de l'accéléromètre à l'état d'équilibre ou position zéro. Le signal de sortie de l'amplificateur 30 apparaît également, sur la borne 61, en tant que signal de sortie contenant l'information de l'accéléromètre, pour être utilisé dans un système adéquat. Bien que le mode de réalisation préféré décrit comporte une charnière 38 sous forme d'une bande unique ou une charnière 39 constituée de plusieurs lames souples croisées, on comprendra aisément que d'autres modes de réalisation sont possibles, notamment de cette liaison flexible entre le substrat et la masse d'inertie. L'invention n'est donc nullement limitée aux formes de réalisation décrites et l'homme de l'art pourra y apporter diverses modifications, sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. AccéLéromètre, caractérisé en ce qu'il comprend un premier substrat (24) de forme plane, en matériau semi-conducteur, présentant une ouverture qui définit le pourtour d'une masse (32) sensible aux accélérations, cette masse étant reliée au substrat semi-conducteur (24) par des lames souples (42, 42') formant un système de poutres croisées, un deuxième et un troisième substrat (26, 28) de forme plane, disposés des deux côtés du premier substrat et présentant chacun une surface conductive (40, 36) en face de la masse (32) sensible aux accélérations, un dispositif (76) pour appliquer un potentiel électrique entre cette masse et les surfaces conductives sur les deuxième et troisième substrats et des moyens formés dans le matériau semi-conducteur du premier substrat (24) pour appliquer le potentiel à la masse (32) sensible aux accélé- rations. 2. Accéléromètre selon la revendication 1, dans lequel les moyens formés dans le matériau semi-conducteur du premier substrat (24) comprennent, en outre, un dispositif électronique (30) sensible au signal de sortie de l'accéléromètre. 3. Accéléromètre selon la revendication 1, dans lequel les lames souples (42, 42') relient un côté de la masse (32) sensible aux accélérations au substrat semi-conducteur (24), de manière à permettre la flexion de cette masse dans un sens et à opposer une grande résistance à tout mouvement de cette masse en d'autres directions. 4. Accéléromètre selon la revendication 1, dans lequel les lames flexibles (42, 42') constituent au moins une paire, dans laquelle chaque lame est formée par deux rainures en V (44) ménagées dans des faces opposées du substrat semi-conducteur (24), de manière à former une lame inclinée par rapport au plan de ce substrat, et de manière que les deux lames de la paire ou de chaque paire possèdent des inclinaisons contraires. 5. Accéléromètre selon la revendication 1, dans lequel La masse (32) sensible aux accélérations est réalisée en forme de gaufre (54) pour qu'elle possède un rapport aire de surface/masse élevé. 6. Accéléromètre selon la revendication 1, dans lequel le deuxième et le troisième substrat (26, 28) sont en matériau non conducteur. 7. Accéléromètre selon la revendication 1, dans lequel la masse (32) sensible aux accélérations est rendue conductrice par dopage et les deuxième et troisième substrats (26, 28) sont constitués par des plaques isolantes disposées des deux côtés du substrat semi-conducteur (24) et portant des plots conducteurs électriques (50) à côté de la masse (32) sensible aux accélérations. 8. Accéléromètre selon la revendication 1, dans lequel les lames souples (42, 42') sont formées par une gravure anisotrope d'un monocristal qui constitue le substrat semi-conducteur (24).