Brevet FR2694403A1 — publié le 19940204

ACCELEROMETRE PENDULAIRE ELECTROSTATIQUE A ELECTRODE DE TEST ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL ACCELEROMETRE La présente invention concerne les accéléromètres pendulaires électrostatiques non-asservis du type ayant un capteur constitué d'une culasse et d'un ensemble pendulaire monobloc ayant un cadre fixé à la culasse et un pendule plat relié au cadre par deux charnières alignées définissant un axe de basculement à distance du centre de gravité du pendule, le pendule portant, sur la face tournée vers la culasse, une première électrode s'étendant de part et d'autre de l'axe tandis que la culasse porte deux secondes électrodes placées symétriquement de part et d'autre de l'axe et ayant des moyens de mesure de la différence de capacité entre les condensateurs constitués chacun de la première électrode et de l'une des deux secondes électrodes. Lorsque le capteur est soumis à une accélération ayant une composante orthogonale au plan occupé au repos par le pendule, la dissymétrie de ce dernier provoque l'apparition d'une force qui fait tourner le pendule jusqu'à ce que son moment soit équilibré par le couple antagoniste exercé par les charnières. On connaît déjà des accéléromètres de ce type qui ont l'avantage d'être réalisables sous un faible volume et d'avoir une constitution simple Il existe de plus en plus d'applications qui exigent des accéléromètres de petit volume, de coût faible et cependant très fiables. On peut notamment citer, à titre d'exemples de domaines concernés par l'invention, l'industrie automobile qui requiert de tels accéléromètres pour diverses applications. Par exemple, le declenchement, en cas de choc, d'un organe de sécurité tel qu'un sac gonflable exige un accéléromètre ayant une fiabilité telle qu'il ne risque pas de se déclencher en dehors d'un accident. Les suspensions actives exigent également de tels accéléromètres, pour un domaine d'accélération nettement différent. La présente invention vise à fournir un accéléromètre pendulaire du type ci-dessus défini, dont la fiabilité est assurée par la possibilité de contrôler fréquemment et aisément son bon fonctionnement et qui cependant reste d'un coût faible et d'une fabrication simple. Dans ce but, l'invention propose notamment un accéléromètre du type ci-dessus défini, caractérisé en ce que la culasse porte, en face de la première électrode, une électrode de test et en ce que l'accéléromètre comprend de plus des moyens permettant d'appliquer, entre la première électrode et l'électrode de test, une tension déterminée créant un moment de basculement donnant une élongation déterminée au pendule. Le capteur reste très simple, puisqu'il ne comprend que deux pièces constitutives, la culasse à trois électrodes et l'ensemble pendulaire dont le cadre peut être fixé à la périphérie de la culasse par des méthodes bien connues et parfaitement maîtrisées, choisies en fonction des matériaux constitutifs, telles que soudage thermo-électrique, thermocompression et collage. Les électrodes étant situées d'un seul côté du pendule, il n'est pas nécessaire que les faces de ce dernier soient strictement parallèles. Le capteur peut être complété par une pièce supplémentaire fixée au cadre, de façon à constituer une cellule fermée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma électrique de principe d'un accéléromètre suivant un mode particulier de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe du capteur selon la ligne II-II de la figure 1 - la figure 3 est une vue éclatée en perspective montrant une constitution possible du capteur ; et - la figure 4 est un schéma électrique de principe d'un circuit de test d'accéléromètre pouvant équiper l'accéléromètre de la figure 1. L'accéléromètre montré schématiquement sur les figures comprend une culasse 10 et un ensemble pendulaire 14. Cet ensemble comprend un pendule plat 11 pouvant tourner par rapport à un cadre 12 autour d'un axe défini par des charnières 16. Dans le mode de réalisation illustré, une plaque 15 est fixée sur le cadre 12 et constitue, avec ce cadre et la culasse 10, une cellule fermée. L'ensemble pendulaire 14 peut être réalisé par usinage d'une plaque d'un matériau qui est soit électriquement conducteur, puisque, comme on le verra plus loin, la totalité du pendule est au même potentiel, soit en un matériau isolant. Dans ce dernier cas, la face plane du pendule tournée vers la culasse est revêtue d'une couche métallique constituant une première électrode 22. L'axe d'oscillation défini par les charnières 16 est décalé par rapport au centre de gravité G du pendule. La face plane de la culasse porte, en regard du pendule deux secondes électrodes 18 et 20 destinées à la mesure de l'élongation angulaire du pendule par rapport à une position de repos où les électrodes sont parallèles les unes aux autres. Avantageusement les électrodes 18 et 20 ont la même surface et sont disposées symétriquement par rapport à l'axe défini par les charnières 16. On peut notamment constituer l'ensemble pendulaire 14 en silicium, dopé (par exemple par implantation de bore) pour accroître sa conductibilité. Un dopage à 1017 atomes/cm3 est généralement satisfaisant. L'anisotropie du silicium monocristallin permet alors de réaliser l'ensemble pendulaire par amincissement de la zone destinee à constituer le pendule, sur les deux faces, par exemple par gravure au plasma, puis par attaque double face anisotrope, par exemple avec de la potasse, pour effectuer la découpe autour du pendule et constituer les charnières. Un amincissement créant un entrefer de l'ordre de 10 microns est généralement suffisant. La culasse 10 peut être constituée en verre borosilicaté ayant un coefficient de dilatation proche de celui du silicium. Elle peut être également en silicium, revêtue d'une couche mince de verre.Dans ce cas le cadre peut être fixé à la culasse par liaison thermo-électrique, thermo-compression ou collage. La thermo-soudure peut etre par exemple effectuée sous 400 Volts environ à une température d'environ 400"C. Ce mode de constitution se prête bien à une fabrication de capteurs par lots : plusieurs ensembles pendulaires sont fabriqués simultanément sur une même tranche de silicium. Cette tranche est fixée, au niveau des cadres, sur une seconde tranche destinée à constituer la culasse. Une tranche supplémentaire destinée à constituer la plaque 15 est fixée. Enfin les capteurs individuels sont séparés par découpe, par exemple sous jet d'eau ou à la scie. Cette solution réduit les rebuts, la découpe s'effectuant sur une pièce d'épaisseur sensiblement triple de l'épaisseur des ensembles pendulaires. Conformément à l'invention, la culasse porte, en face de la première électrode 22, une électrode de test 24. Cette électrode peut avoir la même constitution que les secondes électrodes 18 et 20. Elle peut aisément être constituée en face de la partie terminale de l'aile la plus longue du pendule 11. Elle constitue, avec la première électrode 22, un condensateur. Les liaisons des diverses électrodes avec l'extérieur peuvent être effectuées par des pistes conductrices, réalisées par dépôt de métal sur la culasse 10 et, pour ce qui est de l'électrode 22, sur une des charnières 16 et la face inférieure du cadre 12. La liaison entre cette piste et la piste correspondante de la culasse s'effectue par contact. Les électrodes 18, 20 et 22 sont insérées dans un circuit de mesure de l'élongation angulaire du pendule 11 par rapport à la position de repos où, en général, les capacités des deux condensateurs définis par les électrodes sont égales. Le circuit montré à titre d'exemple sur la figure 1 comporte un oscillateur 26 qui attaque un pont capacitif de mesure. Deux des branches du pont contiennent les condensateurs constitués l'un des électrodes 18 et 22, l'autre des électrodes 20 et 22. Les deux autres branches contiennent des capacités de référence, dont l'une est éventuellement ajustable pour permettre d'équilibrer le pont au repos. La tension qui apparat dans la diagonale du pont est appliquée à un amplificateur 28 qui attaque un démodulateur synchrone 30.Certaines applications exigent simplement qu'un signal de commande ou d'alarme soit fourni lorsque l'accélération dépasse un seuil déterminé pendant un intervalle de temps également supérieur à une valeur déterminée. Dans ce cas, le circuit de mesure peut être complété par un détecteur à seuil 32 suivi d'un intégrateur 34. La valeur du seuil de détection peut être fixée par une tension de référence V ref ajustable. Dans d'autres cas, il est nécessaire de disposer d'un signal de mesure représentatif de la valeur de l'accélération. Dans ce cas, le détecteur synchrone sera généralement suivi d'un filtre passe-bas fournissant un signal de sortie représentatif de l'accélération. Le caractère différentiel de la mesure garantit une linéarité approchée. Elle peut être améliorée en limitant l'utilisation de l'accéléromètre à une plage d'accélération nettement inférieure à la dynamique totale qu'il permettrait d'atteindre et correspondrait à la venue en butée du pendule contre la culasse. La vérification du bon fonctionnement de l'accéléromètre s'effectue en exerçant sur le pendule une force d'attraction à l'aide du condensateur constitué par les électrodes 22 et 24. Dans le cas illustré sur la figure 1, le circuit comporte une source de tension continue 36. Un interrupteur 38 permet de relier les électrodes 22 et 24 soit avec la source, soit (dans la position montrée en figure 1) l'une à l'autre pour les porter au même potentiel. L'interrupteur 38 peut être relié à un séquenceur permettant, à cadence régulière ou une seule fois à chaque mise en service de l'accéléromètre, d'actionner l'interrupteur 38 pour mettre la source 36 en circuit, pendant une durée déterminée, puis de comparer le déséquilibre du pont capacitif avec une valeur déterminée gardée en mémoire, et enfin de remettre l'accéléromètre en état de fonctionnement normal par basculement de l'interrupteur 38. Dans beaucoup d'applications, et notamment lorsque l'accéléromètre est destiné à être monté sur un véhicule automobile, les tensions disponibles dans les circuits électroniques sont faibles, généralement inférieures à 5 Volts. Or, pour que faAtraction électro-statique exercée dans le cas d'un capteur du genre montré en figure 1 soit énergique, il est souhaitable d'appliquer une tension nettement supérieure, par exemple de plusieurs dizaines de Volts. La figure 4 montre des moyens, constituant dispositif d'auto-test, permettant d'appliquer, entre la première électrode 22 et l'électrode de test 24, une tension qui peut atteindre de telles valeurs, même avec une source d'alimentation présentant à ses bornes une tension très inférieure. Les moyens montrés en figure 4 comportent une source de tension alternative 40 fournissant une tension Ve et des éléments permettant de constituer un circuit résonant RLC avec le condensateur constitué par les électrodes 22 et 24. Un interrupteur non représenté permet de mettre ce circuit en série avec le condensateur constitué des électrodes 22 et 24 ou de court-circuiter ces électrodes. Il comporte une résistance R, une inductance L et un condensateur dont la capacité C2 est nettement supérieure à la capacité C1 du condensateur de test, pour un motif qu'on verra plus loin. Dans ces conditions la tension aux bornes de la capacité, de valeur C, constituée par la mise en série des condensateurs de valeurs C1 et C2, est Vc = Ve / (1 + RCp + LCp2) où p = jo). En valeur absolue on peut alors écrire |Vc| = |ve| / / L(1-LCo)2)2 + (RCw)2) Lorsque la source 40 est à la fréquence de résonance, c est-à-dire pour #o = 1/LC, on peut écrire |Vc| = |Ve| / RCo, Dans tous les cas, la tension Vcl aux bornes du condensateur de test est égale à une fraction de Vc égale à C2/(C1+C2). En adoptant pour C2 une valeur très supérieure à celle de C1, par exemple au moins cent fois supérieure, Vcl est pratiquement égale à Vc.La tension efficace Vcle aux bornes du condensateur de test est alors, à la résonance Vcle = Vee / (RC#0) En utilisant une source alternative à la fréquence de résonance et pour des valeurs appropriées de R et de C, on peut obtenir des surtensions élevées. Or la force électrostatique qui s'exerce entre les électrodes 22 et 24 est proportionnelle au carré de la tension efficace : on peut donc arriver à des forces de traction très élevées. Au surplus, il est facile de modifier la tension efficace en modifiant simplement la valeur des composants du circuit résonant. On choisira une fréquence de résonance éloignée de celle qu'est susceptible de prendre le pendule. Dans ces conditions, l'élongation du pendule sera une fonction quasilinéaire de la force d'attraction. L'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. Par exemple, lorsque l'on souhaite réduire l'amortissement dû au laminage de l'air entre le pendule d'une part, la culasse 10 et la plaque 15 d'autre part, une fente 42 peut être pratiquée à travers le pendule, par exemple en face de l'intervalle qui sépare l'électrode de test 24 et la seconde électrode 20 placée du même côté de l'axe d'oscillation du pendule. REVENDICATIONS 1. Accéléromètre pendulaire électrostatique nonasservi ayant un capteur constitué d'une culasse (10) et d'un ensemble pendulaire monobloc ayant un cadre (12) fixé à la culasse et un pendule plat (11) relié au cadre par deux charnières (16) alignées définissant un axe de basculement à distance du centre de gravité du pendule, le pendule portant, sur la face tournée vers la culasse, une première électrode (22) s'étendant de part et d'autre de l'axe tandis que la culasse porte deux secondes électrodes (18,20) placées symétriquement de part et d'autre de l'axe et ayant des moyens de mesure de la différence de capacité entre les condensateurs constitués chacun de la première électrode et de l'une des deux secondes électrodes, caractérisé en ce que la culasse porte, en face de la première électrode, une électrode de test et en ce que l'accéléromètre comprend, de plus, des moyens permettant d'appliquer, entre la première électrode et l'électrode de test, une tension déterminée créant un moment de basculement donnant une élongation déterminée au pendule. 2. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode de test est placée au-delà d'une des secondes électrodes, face à l'aile la plus longue du pendule. 3. Accéléromètre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de mesure et de test ayant un pont capacitif dans lequel sont intégrées les secondes électrodes (18,20) et des moyens de mesure du déséquilibre et des moyens interrupteurs (38,40) pour appliquer une tension déterminée entre la première électrode (22) et l'électrode de test (24). 4. Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une ou plusieurs fentes 42 sont ménagées à travers le pendule éventuellement face à un intervalle entre l'électrode de test (24) et les électrodes de mesure (18,20) pour réduire l'amortissement.