Brevet FR2695479A1 — publié le 19940311

Capteur d'accélération L'invention concerne un capteur d'accélération comprenant une masse d'essai pouvant être déplacée par une force extérieure ainsi qu'un dispositif détecteur pour déterminer le déplacement de la masse d'essai. Les capteurs d'accélération sensibles jouent un rôle important en navigation, astronautique, pour assurer des états sans force de gravité, pour la mesure de vibrations ainsi que pour la reconnaissance de gisements miniers Ils sont basés essentiellement sur le déplacement d'une lourde masse sous l'influence d'une force qui l'accélère La modification de la longueur de parcours ainsi obtenue est transformée en une grandeur de mesure physique appropriée, par exemple une modification de résistance, une modification de capacité, etc, et peut être de ce fait évaluée dans un circuit de mesure approprié. Les capteurs d'accélération connus jusqu'ici qui utilisent par exemple un gyroscope ou des bandes de mesure d'allongement en liaison avec le déplacement d'une masse d'essai sont relativement non sensibles, compliqués sur le plan mécanique et coûteux Les capteurs d'accélération piézoélectriques, décrits par exemple dans le DE-A 34 40 811, comportent en règle générale une plage de mesure de l'ordre de grandeur de 0,1 à 3 9. Le but de l'invention est de constituer un capteur d'accélération selon le préambule qui soit miniaturisé et possède une sensibilité 2 2695479 très élevée. Ce but est atteint du fait que la masse d'essai est constituée par une poutre flexible micromécanique formée sur un substrat de silicium, qui supporte à son extrémité libre un bobinage excitateur alimenté en courant alternatif, disposé sur un noyau ferromagnétique et fournissant un champ magnétique non-homogène, qui est disposé au voisinage d'un agencement SQUID refroidi constituant le dispositif détecteur. Un capteur d'accélération à haute sensibilité de ce type, dont la plage dynamique est importante, est miniaturisé grâce à la technique du silicium (dimensions plus petites et poids plus petit) et peut être en outre réalisé économiquement en des séries de pièces de nombre relativement élevé, et pouvant atteindre une sensibilité comprise entre 10-7 et éventuellement 10-10, ce qui fait que le capteur d'accélération convient notamment en astronautique, d'autant plus qu'il permet de mesurer des accélérations très faibles. Des détecteurs d'interférence quantiques supraconducteurs, appelés SQUIDS, ou des agencements de ceux-ci pour la mesure de champs magnétiques et des dispositifs électroniques destinés à l'évaluation, au traitement et à la représentation des informations obtenues, tels qu'ils sont utilisés dans le capteur d'accélération, sont connus en soi, comme le montrent par exemple les DE-A-32 47 543, 32 47 585, 35 15 237, 35 29 815, 35 38 186 (mise sous forme numérique de signaux SQUID) ou 40 27 481, dans lesquels on peut utiliser des supraconducteurs haute température comme par exemple le Y Ba 2 CU 307-x. Selon l'invention, le noyau ferromagnétique est muni d'une pointe ou d'un bord effilé qui est tourné vers l'agencement SQUID. La poutre flexible peut être munie à son extrémité libre d'une masse additionnelle. Le substrat de silicium est avantageusement placé sur un corps thermiquement isolant, qui isole thermiquement l'agencement SQUID vis-à-vis du substrat de silicium. L'invention prévoit avantageusement un blindage magnétique, qui peut être constitué par une enveloppe en un métal magnétique ou magnétisable, et en particulier un métal a. Le signal utile provenant de l'agencement SQUID peut être renforcé par un amplificateur de blocage excité par un signal de référence de l'alimentation en courant alternatif du bobinage excitateur. De préférence, l'agencement SQUID est constitué par un ou plusieurs détecteurs d'interférences quantiques supraconducteurs haute température. Il est possible de le refroidir par un refroidisseur Joule-Thomson ou encore par un refroidisseur Split-Stirling. L'invention va maintenant être expliquée plus en détail dans ce qui suit à l'aide d'un mode de réalisation représenté sur les dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une représentation schématique du principe physique utilisé ici pour un capteur d'accélération; la figure 2 est un schéma par blocs du capteur d'accélération; la figure 3 représente en vue partielle un mode de réalisation d'un capteur d'accélération; la figure 4 est une vue en coupe latérale schématique du capteur d'accélération de la figure 3. Le capteur d'accélération selon la figure 1 supporte une poutre micromécanique flexible 1 fixée sur un côté, dont l'extrémité libre supporte un noyau ferromagnétique 2 comprenant un bobinage excitateur 4 comportant N spires 3 Le noyau ferromagnétique 2 comprend une pointe prononcée ou un bord effilé 5 Quand il est traversé par un courant, le bobinage excitateur 4 produit un champ magnétique local et non-homogène, dont la courbe du flux magnétique f(cf) en fonction de la flexion 99 de la poutre flexible 1 est représentée schématiquement à la figure 1 Le champ magnétique non- homogène agit sur l'enroulement récepteur d'un SQUID 6 (détecteur d'interférence quantique supraconducteur) ou éventuellement sur un agencement SQUID (réalisé par une technique de film mince), qui mesure comme un magnétomètre la modification du flux magnétique di/d quand une force extérieure fait ployer la poutre flexible 1. Le capteur d'accélération comprend selon la figure 2 une alimentation en courant alternatif 7 destinée au bobinage excitateur 4, qui alimente ce dernier en courant alternatif de fréquence prédéterminée et une alimentation de réseau 8 pour le SQUID 6 Le signal utile de ce dernier est appliqué de préférence à un amplificateur de blocage 9 par l'intermédiaire d'un circuit adaptateur de signaux non représenté qui reçoit à une seconde entrée un signal de référence-pour la tension en courant alternatif provenant de l'alimentation en courant alternatif 7 qui est appliquée au bobinage excitateur 4 Le signal de sortie de l'amplificateur de blocage 9 est appliqué à un convertisseur analogique/numérique 10 dont la sortie est reliée à un microprocesseur il destiné au traitement numérique des signaux. Le champ magnétique produit par le bobinage excitateur 4 provoque pour chaque flexion variable de la poutre flexible 1 un affichage différent du champ magnétique, qui est en corrélation directe avec la force appliquée ou avec l'accélération lorsque les flexions sont faibles Quand les flexions sont plus importantes, la relation n'est plus linéaire Il faut donc en règle générale déterminer la relation à partir de séries de mesures ou encore par des considérations mécaniques pour parvenir à une courbe de calibrage ou à une fonction de dépendance qui détermine la relation entre la flexion de la poutre flexible 1 et le champ magnétique mesuré à l'endroit o est le SQUID 6 pour déterminer l'accélération. Il est avantageux que l'excitation électrique prévue de façon appropriée pour le bobinage excitateur 4 serve simultanément de référence pour l'amplificateur de blocage 9 On obtient ainsi une amplification du signal SQUIU à bande extrêmement étroite par sélection des fréquences et un bruit très faible, ainsi qu'une sensibilité élevée en proportion et une meilleure plage dynamique. 2695479 Le capteur d'accélération comprend un substrat en silicium 12 comportant une fenêtre 13 La poutre flexible micromécanique 1 dont la longueur est sensiblement supérieure à 100 pm et la largeur beaucoup plus importante que l'épaisseur et dont la longueur est beaucoup plus importante que la largeur, est constituée d'une seul tenant avec le substrat en silicium 12, et elle s'étend dans la région de la fenêtre 13 (figures 3 et 4) A l'extrémité libre de la poutre flexible 1 est montée un noyau ferromagnétique 2 sur lequel est monté le bobinage excitateur 4 à N spires 3 isolé électriquement par rapport au noyau 2 et constitué sous forme d'un composant micro- électronique 'Ces voies conductrices électriques 14 s'étendent sur la poutre flexible 1 entre le bobinage excitateur 4 et son alimentation en courant Le noyau ferromagnétique 2 comprend une pointe ou un bord effilé 5 qui est transversal à l'axe longitudinal de la poutre flexible 1 Le noyau ferromagnétique Z présente de préférence des dimensions qui sont de l'ordre de grandeur d'environ 0,1 à 0,3 mn A l'extrémité libre de la poutre flexible 1 peut en outre être disposée une masse additionnelle 15. Le substrat en silicium 12 est monté sur un corps thermiquement isolant 16 qui comporte en outre un SQUID refroidi 6 dont l'enroulement récepteur est disposé au voisinage de la fenêtre 13 à l'opposé de la pointe ou du bord effilé 5 du noyau ferromagnétique 2 En ce qui concerne le SQUID 6, il s'agit en particulier d'un dispositif constitué sur la base d'un supraconducteur haute température tel que Y Ba 2 Cu 3 07-x Il est refroidi par exemple par une surface de refroidissement 17 à la température de l'azote liquide. Ce résultat est obtenu de préférence au moyen d'un refroidisseur à courant de gaz (refroidisseur Joule-Thomson) ou d'un refroidisseur SplitStirling. Pour éviter que la mesure soit influencée par des champs magnétiques externes, il est avantageux de blinder magnétiquement le capteur d'accélération On peut obtenir ce résultat par exemple au moyen d'une enveloppe en un métal g. 6 2695479 REVENDICATIONS 1 Capteur d'accélération comprenant une masse d'essai pouvant être déplacée par une force extérieure ainsi qu'un dispositif détecteur pour déterminer le déplacement de la masse d'essai, caractérisé en ce que la masse d'essai est constituée par une poutre flexible micromécanique formée sur un substrat de silicium ( 12), qui supporte à son extrémité libre un bobinage excitateur ( 4) alimenté en courant alternatif, disposé sur un noyau ferromagnétique ( 2) et fournissant un champ magnétique non-homogène, qui est disposé au voisinage d'un go agencement SQUID ( 6) refroidi constituant le dispositif détecteur. 2 Capteur d'accélération selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau ferromagnétique ( 2) est muni d'une pointe ou d'un bord effilé ( 5) qui est tourné vers l'agencement SQUID ( 6). 3 Capteur d'accélération selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la poutre flexible ( 1) est munie à son extrémité libre d'une masse additionnelle ( 15). 4 Capteur d'accélération selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le substrat de silicium ( 12) est placé sur un corps thermiquement isolant ( 16), qui isole thermiquement l'agencement SQUID ( 6) vis-à-vis du substrat de silicium ( 12). Capteur d'accélération selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est prévu un blindage magnétique. 6 Capteur d'accélération selon la revendication 5, caractérisé en ce que le blindage magnétique est constitué par une enveloppe en un métal magnétique ou magnétisable, en particulier un métal g. 7 Capteur d'accélération selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le signal utile provenant de l'agencement SQUII ( 6) est renforcé par un amplificateur de blocage ( 9) excité par un signal de référence de l'alimentation en courant alternatif ( 7) du bobinage excitateur ( 4). 8 Capteur d'accélération selon l'une des revendications 1 à 7, 7 2695479 caractérisé en ce que l'agencement SQUID ( 6) est constitué par un ou plusieurs détecteurs d'interférences quantiques supraconducteurs haute température. 9 Capteur d'accélération selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'agencement SQUID ( 6) peut être refroidi par un refroidisseur Joule-Thomson. Capteur d'accélération selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'agencement SQUID ( 6) peut être refroidi par un refroidisseur Split-Stirling.