Brevet FR2720509A1 — publié le 19951201

MICROACCÉLÉRCMETRE À RESONATEUR COMPENSÉ EN TEMPÉRATURE La présente invention concerne un microaccélérométre du type formé à partir d'une plaque d'un matériau tel que du quartz ou du silicium gravée de façon à délimiter une masse sismique maintenue sur un cadre par des suspensions et reliée à ce cadre par des lames formant résonateurs. Un exemple d'un tel microaccélérométre est décrit dans le brevet américain US-A-5 261 277 de la demanderesse. Il est exposé dans ce brevet américain comment un microaccélérométre peut être constitué à partir d'une plaque d'un matériau mince tel que du silicium ou du quartz prise entre deux plaques formant couvercles supérieur et inférieur et oemment une masse mobile formée dans la plaque oentrale est liée au cadre de oette plaque centrale par des suspensions et par des lames formant résonateurs. Les lames formant résonateurs sont couplées capa- citivement à des métallisations formées sur l'une ou l'autre des plaques formant couvercles. Les figures 1A à 1C illustrent de façon très schéma- tique une structure de masse mobile M, ses suspensions S1 et S2 et ses résonateurs R1 et R2. La structure n'est pas la même que celle du brevet américain susmentionné mais est encore simpli- fiée pour mieux faire ressortir le problème que l 'invention vise à résoudre. Les bras de suspension Sl et S2 s' étendent selon un axe y et les lames formant résonateurs R1 et R2 s'étendent selon un axe x orthogonal à l'axe y. Les lames Sl et S2 sont confor- mées pour présenter une forte raideur selon un axe z perpendi- culaire au plan x,y et être très souples dans la direction de 1 'axe x. Ainsi, quand la masse M est soumise à une accélération orientée selon 1' axe x, elle pourra se déplacer légèrement dans cette direction, la lame de résonateur R1 étant sollicitée en extension et la lame R2 en compression. Ces contraintes sur les lames de résonateurs modifient leurs fréquences de résonance et la variation de fréquence caractérise l'accélération. La figure lB représente très schématiquement l'assem- blage d'une plaque d'accéléromètre selon la présente invention dans une vue en coupe selon la ligne BB de la figure 1A. La masse sismique M est découpée dans une plaque intermédiaire comprenant un cadre 10 disposé entre deux plaques formant couvercles de protection 11 et 12, la plaque 11 comprenant des conducteurs électriques agencés pour exciter et détecter la résonance des résonateurs R1 et R2, eux-mêmes métallisés ou conducteurs (voir US-A-5 261 277). On va maintenant examiner en relation avec la figure 1C l'influenoe d'une inhomogénéité de température dans 1' en- ceinte o est situé 1 'aocléromètre. On suppose plus particuliè- rement, que la lame de résonateur R1 est à une température supé- rieure de AT à la lame de résonateur R2. Alors, cette lame R1 tend à se dilater et, sous l'effet de la réaction de la lame R2, sera sollicitée en compression comme la lame R2. Ainsi, la masse sismique M est soumise à la foroe F produite par la dilatation de la lame R1, à la force de réaction F' de la lame R2 et à des forces de rappel F1 et F'1 des suspensions S1 et S2. Il est clair que les forces de torsion F1 et F2 sont négligeables devant les forces de compression F et F'. On a donc en première approximation à l'équilibre F+F'=0. La force F s'exprime par: F = E("LAT - Ax)el/L o E est le module d'Young, " le coefficient de dilatation du matériau des lames de réso- nateurs, 1 la largeur des lames de résonateurs, AT la différence de température, Ax le déplacement de la masse sismique, e l'épaisseur des lames de résonateurs, et L la longueur de ces lames. La force F' s'exprime par F' = - Eel/LAx. F+F'=O conduit à: Ax = "LAT/2, et F = Eel"AT/2 Si on examine la conséquence d'une variation de tempé- rature sur la fréquence propre f des résonateurs, on en conclut que, pour le premier résonateur &f = KF, et pour le deuxième 8f' = -K'F' - -K'F = -(K+AK)F. On a supposé dans ce qui précde que le rapport entre la variation de fréquence et la force n'était pas strictement identique pour les deux résonateurs. En effet, les deux résona- teurs présentent toujours irnévitablement des différenoes struc- turelles. Ceci conduit à Sf-&f'=AKF. Par ailleurs, on sait que Sf&f'=KM y o M désigne la masse de la masse sismique. Ainsi, l'accélération équivalente Sy que l'on mesure en l'absence d'accélération mais quand l'un des résonateurs a une température différente de l'autre sera 6y = (AK/K)(F/M) = (AK/K)Eel"AT/2M. (1) Considérons un exemple nunmérique dans le cas o la masse sismique et les résonateurs sont en silicium. On a alors E=l,7 1011 N/m2, "=2,6 10-6/degré. On considère également le cas o e=20 pm, 1=60 pm, M=6,3 10- 6 kg. Alors, si MK/K est de l 'ordre de 5% (oe qui correspond à des tolérances de fabrication usuelles), on a pour une variation AT de 1/1000 un $y de 200 pg (o g désigne l'accélération de la pesanteur). En pratique, des écarts pouvant aller jusqu'à quelques centièmes de degrés entre les deux bras du résonateur sont loin d'être improbables. Ceci conduit à des erreurs de mesure d'acc- lération de l'ordre de 2 mg. De telles erreurs ne sont pas négligeables étant donné qu'un accéléromètre du type concerné peut couramment être utilisé pour atteindre des précisions meil- leures que 1 mg. Ainsi, la présente invention vise à prévoir un micro- accéléromètre du type précédemment décrit insensible aux gra- dients de température. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit de modifier la structure du microacéléromntre et plus particulièrement l'agencement de ses bras de suspension et de ses lames de résonateur pour qu'une dilatation liée à une varia- tion de température de 1' une des lames de résonateur n'entraLne pas une mise en compression des deux lames de résonateur. Plus particulièrement, la présente invention prévoit un microaccélérmantre à résonateurs sensible à des accélérations dans une première direction formé à partir d'une plaque mince dont le plan comprend la première direction et une deuxième direction perpendiculaire à la première et est orthogonal à une troisième direction, comportant un cadre fixe, une masse sis- mique, deux bras de suspension entre le cadre et la masse, ces bras étant rigides dans la troisième direction et souples dans la première direction, deux lames formant résonateurs s'étendant entre le cadre et la masse selon la première direction. Les bras de suspension s'étendent sensiblement dans la deuxième direction et chacun est dirigé vers le centre de gravité de la masse symé- triquement par rapport à ce centre; les lames de résonateur sont parallèles mais non-colinéaires et symétriques par rapport au centre de gravité de la masse. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les bras de suspension sont colinéaires. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les bras de suspension ont sensiblement l 'épaisseur de la plaque mince et les lames de résonateur ont une épaisseur fortement réduite par rapport à l 'épaisseur de cette plaque mince. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la plaque mince est une plaque de silicium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la plaque mince est une plaque de quartz. La présente invention prévoit aussi un procédé de fabrication d'un microaccéléromètre à résonateurs sensible à des accélérations dans une première direction formé à partir d'une plaque mince dont le plan comprend la première direction et une deuxinème direction perpendiculaire à la première et est ortho- gonal à une troisième direction, comportant un cadre, une masse sismique, deux bras de suspension entre le cadre et la masse, ces bras étant rigides dans la troisième direction et souples dans la première direction, deux lames formant résonateurs s'é- tendant entre le cadre et la masse selon la première direction. Selon ce procédé, la plaque mince est constituée d'un sandwich comprenant une première plaquette d'un premier matériau revêtue d'une couche mince d'un deuxinème matériau et d'une couche mince d'un troisième matériau; la masse et le cadre sont gravés dans l'ensemble de la plaque mince; les suspensions sont gravées dans la première plaquette; et les résonateurs sont gravés dans la couche mince du troisième matériau. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les premier et troisième matériaux sont du silicium et le deu- xième matériau de l'oxyde de silicium. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposes en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1A à 1C, décrites précédemment, étaient destinées à rappeler l'état de la technique et à illustrer le problème posé; les figures 2A et 2B représentent une vue de dessus schématique d'un microaccélércmètre selon la présente inven- tion; les figures 3A à 3C représentent une vue de dessus et des vues en coupe d'un mode de réalisation d'un microaccéléro- mètre selon la présente invention; et les figures 4A et 4B représentent une vue de dessus et une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'un microacco- léromètre selon la présente invention. Cannoe le représente la figure 2A, dans un mode de réalisation de la présente invention, la masse sismique M est associée à deux bras de suspensions Sl et S2 colirnéaires et passant par le centre de rotation qui correspond au centre de gravité de la masse M. Par contre, les lames de résonateur R1 et R2 au lieu d'être colinéaires et opposées l'une à l'autre de part et d'autre de la masse sismique sont toujours bien entendu orientées selon la direction de l'axe de détection x mais sont décalées l'une par rapport à 1' autre, symétriquement par rapport au centre de gravité de la masse. Ainsi, dans cette structure, comme dans la structure précédente, une sollicitation de la masse M dans la direction x, résultant d'une accélération, entrainera une compression de l'un des résonateurs et une exten- sion de 1 'autre sans mise en rotation de la masse sismique. Par contre, une dilatation de 1 'un des résonateurs, par exemple le résonateur R1, sous l'effet d'une variation de température entrainera conmme le montre très schématiquement et à échelle agrandie la figure 2B une rotation de la masse sismique et des efforts de torsion sur les bras Sl et S2 et sur les lames R1 et R2, mais plus de force de compression longitudinale sur les résonateurs R1 et R2. Les déformations des lames de résonateurs R1 et R2 sont très exagérées dans la figure et les forces de déformation prédominantes seront les forces de torsion F1 et F2 des suspensions S1 et S2. Ainsi, l'erreur accelércmétrique peut s'exprimer par l'expression: Ee'l,3 Ee'l'3 M&Y = IF1 + F21 = oLAT= aAT. (2) L3 L2 Dans cette équation (2), les paranmètres e', 1' et L se rapportent aux bras de suspension et non plus comme dans l'équa- tion (1) aux lames de résonateurs. On considérera par exemple le cas o L=3 mm, e'=0,3 mm et 1'=20 pm. En conservant par ailleurs les valeurs numériques indiquées précédemment, on arrive pour une variation de température AT=10-3 degré à une erreur accélé- rcmétrique de seulement 2 pg, c'est-à-dire 100 fois plus faible que dans le cas précédent. La structure des figures 2A et 2B ne constitue qu'un exemple de structure selon la présente invention. Plus générale- ment, la présente invention prévoit une structure telle que les efforts longitudinaux exercés sur les lames de résonateur R1 et R2 sont transformés en mouvement de rotation quand l'une des lames entre en dilatation. Pour cela, de l'avis actuel de la demanderesse, il faut satisfaire aux conditions suivantes: - les axes de poussée des résonateurs R1 et R2 sont décalés par rapport au oentre de gravité de la masse, - les axes des suspensions S1 et S2 passent par le centre de gravité de la masse de telle sorte qu'une faible rota- tion de la masse autour de son centre de gravité n'entraîne aucune variation de longueur des suspensions. La figure 3A représente une vue de dessus schématique d'une variante de réalisation de la structure de la figure 3. La masse sismique M a sensiblement une forme de H. Les suspensions S1 et S2 sont colinéaires et dirigées sensiblement vers le cen- tre du H parallèlement aux grands côtés de oe H. Les résonateurs R1 et R2 s'étendent de façon opposée à partir de chacune des branches du H. Chacun des résonateurs et des suspensions se raccorde à une partie périphérique de la plaque dans laquelle est formée la masse. Cette partie périphérique, ou cadre, est désignée par la référence 10. La figure 3B est une vue en coupe selon la ligne EB de la figure 3A. Pour mieux comprendre cette vue en coupe, on se référera au brevet américain susmentionné. On rappellera que de telles structures peuvent être formées à partir d'une plaque de silicium ou de quartz. Dans le cas d'une plaque de silicium, on procdera de préférence à des gravures anisotropes et l'on obtient alors une structure telle que celle illustrée en figure 3B o l'on voit de gauche à droite: le cadre 10, une branche 13 du H de la masse M, la suspension S1, une deuxième branche 14 du H, et à nouveau le cadre 10. On voit que ce type de gravure conduit à des suspensions très souples dans le sens latéral et très raides dans un sens perpendiculaire au plan de la masse sismique. La figure 3C est une vue en coupe selon la ligne C-C de la figure 3A. On peut y voir une portion de la branche 14 du H, la suspension S2 à un endroit de grande largeur, c'est-à-dire à l'emplaoement o elle ne présente pas de souplesse, une partie de la lame de résonateur R2 et le cadre 10. Le brevet américain susmentionné explique notamment la façon d'obtenir les parties de très faible épaisseur correspondant aux lames de résonateur. Les figures 4A et 4B illustrent une variante de réali- sation de la structure de la figure 3A, cette variante de réali- sation constituant quant à son mode de fabrication un aspect de la présente invention. L'allure générale de la structure de la figure 4A est la même que celle de la figure 3A. La différence essentielle est que, au lieu d'être gravée à partir d'une plaque d'un matériau unique, telle qu'une plaque de silicium ou une plaque de quartz, la structure est gravée à partir d'une plaque de matériau campo- site comprenant par exemple une plaque 20 de silicium revêtue d'une couche mince 21 d'oxyde de silicium elle-mème revêtue d'une couche mince 22 de silicium. La plaque 20 peut avoir l'épaisseur classique d'une plaquette de silicium soit environ 0,3 à 0,5 mm, la couche 21 d'oxyde de silicium une épaisseur de 2 à 10 pm et la couche 22 de silicium une épaisseur de 2 à 5 pm. Conmoe le représente la vue en coupe de la figure 4B, prise selon la ligne B de la figure 4A, le cadre et la masse sismique ont sensiblement toute 1' épaisseur du sandwich 20, 21, 22 tandis que les bras de suspension sont définis dans la seule plaque 20 et les résonateurs dans la seule couche mince 22. Par rapport au mode de réalisation précédent, ceci permet de simplifier la gravure des résonateurs. En effet, dans le mode de réalisation précédent, il fallait prévoir une gravure longue s'étendant jusqu'à laisser en place une épaisseur minime de silicium. Ici, l'épaisseur des résonateurs est prédétermirnée par l'épaisseur de la couche mince de silicium ou autre matériau 22. Un autre avantage du mode de réalisation des figures 4A et 4B est que, coume dans l'exemple représenté, il est pos- sible de prévoir des structures géométriques dans lesquelles les bras de suspension et les lames de résonateurs se croisent. Il en résulte la possibilité de prévoir des structures plus compactes. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art, notamment en ce qui conoerne le procédé de fabrication et les structures particulières permettant de compenser la dila- tation selon les principes exposés dans la présente description. REVENDICATIONS 1. Microaccéléromètre à résonateurs sensible à des aocélérations dans une première direction (x) formé à partir d'une plaque mince dont le plan comprend la première direction (x) et une deuxième direction (y) perpendiculaire à la première et est orthogonal à une troisième direction (z), comxportant un cadre fixe (10), une masse sismique (M), deux bras de suspension (Sl, S2) entre le cadre et la masse, ces bras étant rigides dans la troisième direction et souples dans la première direction, deux lames formant résonateurs (R1, R2) s'étendant entre le cadre et la masse selon la première direction, caractérisé en ce que: les bras de suspension (Sl, S2) s'étendent sensi- blement dans la deuxième direction et chacun est dirigé vers le centre de gravité de la masse symétriquement par rapport à ce centre; les lames de résonateurs (R1, R2) sont parallèles mais non-colinéaires et symétriques par rapport au centre de gravité de la masse. 2. Microaocéléromètre selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les bras de suspension sont colinéaires. 3. Microaceéléromètre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les bras de suspension ont sensiblement l'épaisseur de ladite plaque mince et en ce que les lames de résonateur ont une épaisseur fortement réduite par rapport à l'épaisseur de ladite plaque mince. 4. Microaéléromètre selon la revendication 3, carac- térisé en ce que la plaque mince est une plaque de silicium. 5. Microaceéléromètre selon la revendication 3, carac- térisé en ce que la plaque mince est une plaque de quartz. il 6. Procédé de fabrication d'un microaccélércaètre à résonateurs sensible à des accélérations dans une première direction (x) formé à partir d'une plaque mince dont le plan ccmprend la première direction (x) et une deuxième direction (y) perperdiculaire à la première et est orthogonal à une troisième direction (z), comportant un cadre (10), une masse sismique (M), deux bras de suspension (Si, S2) entre le cadre et la masse, ces bras étant rigides dans la troisième direction et souples dans la première direction, deux lames formant résonateurs (R1, R2) s'étendant entre le cadre et la masse selon la première direc- tion, caractérisé en ce que: ladite plaque mince est constituée d'un sandwich comprenant une première plaquette (20) d'un premier matériau revêtue d'une couche mince d'un deuxième matériau (21) et d'une couche mince d'un troisième matériau (22), la masse et le cadre sont gravés dans l'ensemble de la plaque mince, les suspensions sont gravées dans la première pla- quette, et les résonateurs sont gravés dans la couche minoe du troisième matériau. 7. Procédé de fabrication d'un microaccéléromètre selon la revendication 6, caractérisé en ce que les premier et troisième matériaux sont du silicium et le deuxième matériau de l'oxyde de silicium.