Brevet FR2734057A1 — publié le 19961115

La présente invention est relative à un capteur accélérométrique capacitif miniature, du type qui comprend des première et deuxième électrodes fixes disposées dans des plans sensiblement parallèles et une électrode mobile sensible à l'action de forces d'inertie, cette électrode mobile étant agencée de manière à définir des premier et deuxième condensateurs électriques avec les première et deuxième électrodes, respectivement, et des moyens sensibles à la différence des capacités de ces condensateurs pour en déduire une mesure de l'accélération supportée par l'électrode mobile du capteur. On connaît un capteur accélérométrique de ce type en particulier du brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4.736.629 ci-après appelé brevet "précité". On y décrit un capteur miniature fabriqué et monté sur un substrat semiconducteur, ce capteur comprenant une plaque métallique mobile montée au-dessus du substrat par l'intermédiaire d'un piédestal et de barres de torsion, ces barres de torsion autorisant une rotation de la plaque autour de son piédestal sous l'effet d'une accélération orientée normalement à la surface de la plaque et du substrat. Ce dernier est constitué par une couche semiconductrice recouverte d'une couche isolante. La couche semiconductrice incorpore un circuit intégré d'exploitation des signaux émis par le capteur. Sur la couche isolante sont formées des première et deuxième électrodes fixes, disposées de part et d'autre de l'axe de rotation de la plaque, ou électrode, mobile, de manière à constituer des premier et deuxième condensateurs variables de part et d'autre de cet axe. On conçoit que lorsque l'électrode mobile tourne sous l'effet de forces inertielles résultant de l'application d'une accélération, une extrémité de l'électrode mobile se rapproche d'une des électrodes fixes alors que son autre extrémité s'écarte de l'autre électrode fixe. Une mesure différentielle des capacités des deux condensateurs permet d'atteindre la grandeur de l'accélération à mesurer. S'agissant d'un capteur miniature, il existe toujours un intérêt pour une réduction de l'encombrement d'un tel capteur. Le capteur décrit dans le brevet précité comprend deux condensateurs disposés côte-à-côte, dont on ne peut réduire l'encombrement sur la surface du substrat qu'en réduisant la surface des électrodes des condensateurs, ce qui réduit du même coup la sensibilité du capteur. On remarque en outre que des chocs violents sont susceptibles de provoquer une percussion de l'électrode mobile sur le substrat avec risque de briser l'une ou l'autre des barres de torsion et de détruire ainsi le capteur. Par ailleurs, dans l'industrie de ces capteurs, il existe un besoin pour adapter les caractéristiques du capteur, notamment sa sensibilité, aux demandes de la clientèle suivant l'application envisagée par celle-ci. Dans le capteur décrit au brevet précité, on peut faire varier la sensibilité du capteur en faisant varier la masse de l'électrode mobile. Une telle variation est cependant délicate à mettre en oeuvre du fait que l'équilibre de cette électrode et sa rotation sont basés sur une découpe particulière qui introduit une dissymétrie des moments d'inertie des deux parties de la plaque qui sont séparées par son axe de rotation, dissymétrie qu'il faut évidemment conserver. La présente invention a donc pour but de réaliser un capteur accélérométrique capacitif du type décrit en préambule de la présente description, qui ne souffre d'aucune des limitations du capteur décrit au brevet précité et qui présente donc un encombrement encore plus réduit, une sécurité vis-à- vis des chocs violents et une possibilité de réglage simple de sa sensibilité. La présente invention a aussi pour but de réaliser un tel capteur de coût de fabrication sensiblement abaissé par rapport à ceux des capteurs de la technique antérieure. On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un capteur accélérométrique capacitif, du type qui comprend des première et deuxième électrodes fixes disposées dans des plans sensiblement parallèles et une électrode mobile sensible à l'action de forces d'inertie, cette électrode mobile étant agencée de manière à définir des premier et deuxième condensateurs avec les première et deuxième électrodes, respectivement, et des moyens sensibles à la différence des capacités de ces condensateurs pour en déduire une mesure de l'accélération supportée par l'électrode mobile du capteur, ce capteur étant remarquable en ce que les première et deuxième électrodes sont superposées et disposés de part et d'autre de l'électrode mobile, celle-ci prenant la forme d'une poutre ancrée par une extrémité sur un support fixe solidaire des première et deuxième électrodes. Comme on le verra dans la suite, en superposant ainsi les trois électrodes du capteur, l'encombrement de ce dernier est réduit sensiblement à celui d'une seule électrode, soit l'encombrement minimum d'un capteur capacitif. Suivant un mode de réalisation particulier du capteur selon l'invention, une masse est fixée sur la poutre, au voisinage de l'extrémité libre de celle-ci. Cette masse accroît la sensibilité de l'électrode mobile aux accélérations. On peut régler simplement la valeur de cette masse pour obtenir un capteur de sensibilité prédéterminée. Suivant une autre caractéristique du capteur selon l'invention, celui-ci comprend une butée fixe pour limiter le débattement de l'électrode mobile, et donc empêcher ainsi une détérioration du capteur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel: - Les figures 1 et 2 sont des coupes longitudinale et transversale, respectivement, du capteur selon l'invention suivant les traits de coupe I et II, et, - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'une variante du capteur des figures 1 et 2. Le capteur accélérométrique suivant l'invention représenté aux figures 1 et 2 est un capteur miniature, d'une surface de quelques mm2, porté par un substrat semiconducteur contenant un circuit intégré assurant l'alimentation électrique du capteur et l'exploitation des signaux électriques délivrés par le capteur. L'échelle des figures 1 et 2, suivant l'épaisseur du capteur, est fortement dilatée pour faire apparaître plus clairement sa constitution. Le capteur comprend ainsi essentiellement des première (1) et deuxième (2) électrodes fixes et une troisième électrode 3 mobile. Ces trois électrodes sont superposées au-dessus du substrat 4, l'électrode mobile 3 passant librement entre les électrodes 1 et 2, les trois électrodes étant généralement parallèles entre elles et au substrat 4. L'électrode 1 est formée par une ou plusieurs couches métalliques déposées les unes sur les autres au-dessus d'une couche de passivation formée sur le substrat. L'électrode 2 est également formée par une couche métallique prenant la forme d'une arche (voir figure 2) passant au-dessus de la première électrode 1 et de l'électrode mobile 3, l'arche reposant sur deux ancrages latéraux 5, 6 solidaires du substrat 4. L'électrode mobile 3 prend la forme d'une poutre ancrée dans le substrat 4 à une extrémité 31, l'autre extrémité 32 de la poutre étant libre. La poutre 3 supporte au voisinage de cette l'extrémité libre 32 une masselotte 7 propre à accroître son moment d'inertie autour d'un axe passant par son ancrage 3,. Une butée 8 limite, avec le substrat 4 lui-même, le débattement de la poutre 3 autour de sa position de repos. La butée 8 forme elle aussi une arche au-dessus de l'extrémité de la poutre, cette arche reposant sur des ancrages (non représentés) semblables aux ancrages 5, 6 de l'électrode 2. Un tel capteur est propre à détecter des accélérations se développant suivant un axe perpendiculaire au plan du substrat 4. L'électrode se comporte vis-à-vis de telles accélérations comme une lame vibrante grâce à son inertie, amplifiée par la masselotte 7. En vibrant l'électrode 3 fait varier en sens inverses les capacités des condensateurs constitués par les électrodes 1,3 d'une part, 2,3 d'autre part. Une détection différentielle classique de ces variations de capacités, assurée par un circuit électronique conçu à cet effet, intégré dans le substrat au droit du capteur et connecté aux trois électrodes 1,2 et 3 par trois liaisons électriques (non représentées), permet de remonter à l'amplitude de l'accélération à l'origine de ces vibrations. Grâce à la superposition, suivant l'invention, des deux condensateurs 1, 3 et 2,3, la surface occupée par le capteur sur le substrat est avantageusement réduite sensiblement par rapport à celle occupée par les deux condensateurs disposés côte-à-côte dans le capteur du brevet précité. Malgré la surface réduite du capteur, l'inertie de l'électrode mobile 3 peut être fortement accrue par la masselotte 7 qui peut, suivant l'invention, s'étendre transversalement et longitudinalement sur l'électrode mobile 3, sur une surface dont on peut régler à volonté l'étendue. C'est ainsi que cette masselotte peut être portée par une partie élargie 33 de largeur L, de l'électrode 3, présentant ailleurs une largeur 1 (voir figure 2). Par ce moyen on peut former sur l'électrode 3 une masselotte 7 d'une masse donnée, propre à conférer au capteur une sensibilité prédéterminée convenant à telle ou telle application. Un autre moyen d'action sur cette sensibilité consiste à agir sur la raideur de l'électrode mobile et sur son ancrage 3, sur le substrat, en choisissant convenablement les dimensions, et notamment l'épaisseur de l'électrode, ainsi que la géométrie de l'ancrage 3, géométrie que l'on peut modifier sensiblement par des perforations ou des découpes sélectivement disposées. L'amortissement des vibrations de l'électrode mobile doit être contrôlé pour établir une bande passante la plus large et la plus plate possible. Suivant l'invention, on assure l'amortissement des vibrations de l'électrode 3 en ménageant des ouvertures 101 régulièrement disposées à travers l'électrode 3, ces ouvertures permettant à un fluide gazeux environnant cette électrode de passer d'un côté vers l'autre de celle-ci. Le capteur étant encapsulé on peut choisir le gaz enfermé dans la capsule et les dimensions des ouvertures 10i pour assurer tel ou tel amortissement, par frottement visqueux du gaz contre l'électrode 3 dans les ouvertures 10i. Incidemment, on notera qu'en agissant sur le diamètre des ouvertures 10i, on dispose d'un autre moyen de réglage de la raideur, évoquée ci-dessus, de l'électrode mobile. La butée 8 sert à empêcher qu'un choc violent ne brise l'ancrage 3, de l'électrode 3. Le substrat 4 joue le même rôle à l'autre borne de la course de l'extrémité libre 32 de l'électrode 3. En cas de contact entre la butée 8 et l'électrode 3 à la suite d'un tel choc, le potentiel électrique de la butée 8 risque de perturber celui de l'électrode s'ils sont différents, voire de provoquer un collage de cet électrode sur cette butée. Suivant l'invention on prévient ces perturbations en établissant une liaison électrique permanente entre la butée 8 et l'électrode 3, grâce à une ligne conductrice (non représentée) tracée sur le substrat 4. Cette ligne passe avantageusement par le point d'impact éventuel 9 de l'électrode 3 sur le substrat, pour les mêmes raisons. On a représenté à la figure 3, en coupe longitudinale une variante du capteur des figures 1 et 2, des références numériques identiques repérant des éléments ou organes identiques ou similaires sur toutes ces figures. A la figure 3 les positions longitudinales de la masse 7 et de la butée 8 sont inversées par rapport à celles observées sur la figure 1. La butée 8 et le contact 9 coopèrent avec des excroissances 11 et 12, respectivement, débordant de l'électrode 3 pour limiter le débattement de cette électrode sous de fortes accélérations. Incidemment, on a représenté à la figure 3 le caisson 4, qui contient dans le substrat semiconducteur 4, le circuit intégré associé au capteur. Le capteur accélérométrique suivant l'invention peut être réalisé par des techniques photolithographiques de dépôt de couches métalliques par électrodéposition, pour constituer les électrodes, et de dépôt de couches sacrificielles entre les couches métalliques, ces dépôts étant opérés sur un substrat semiconducteur isolé par une couche de passivation et comportant le circuit électronique assurant l'alimentation électrique des électrodes et le traitement des signaux délivrés par le capteur, à savoir les tensions aux bornes des deux condensateurs (1,3) et (2,3). C'est ainsi que, en référence à la figure 1, on peut former tout d'abord par pulvérisation sous vide une couche 13 de TiW-Au, puis une couche 14 de nickel et une autre couche d'or par dépôt électrolytique, à travers un masque en résine délimitant l'électrode 1 et le contact 9. Une couche sacrificielle constituée d'une résine photosensible par exemple, est ensuite déposée, exposée et dépouillée puis recouverte d'un plaquage d'or obtenu par vaporisation, surmonté d'un plaquage électrolytique de nickel par exemple pour constituer l'électrode mobile 3. Par des opérations analogues on constitue l'électrode 2, la masselotte 7 et la butée 8. Les couches sacrificielles sont enfin éliminées. Par le procédé de fabrication décrit ci-dessus, il est possible de former simultanément plusieurs capteurs sur un même substrat, ceux-ci présentant des performances différentes en matière de sensibilité, de bande passante ou d'amortissement des vibrations de l'électrode mobile. Ce procédé permet en effet d'agir facilement sur la masse de la masselotte, sur la raideur de l'électrode mobile, sur les dimensions des électrodes et donc sur les capacités des condensateurs, etc, etc.... La souplesse de conception qu'offre ce procédé de fabrication permet d'adapter facilement une structure de base du capteur à des spécifications particulières en matière de sensibilité, de bande passante, etc..., qui peuvent varier d'un client à l'autre du fabricant d'un tel capteur. La très grande miniaturisation du capteur suivant l'invention et la simplicité de son procédé de fabrication ont pour autre effet bénéfique d'abaisser le coût de fabrication du capteur tout en lui conservant de très bonnes performances. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. REVENDICATIONS 1. Capteur accélérométrique capacitif, du type qui comprend des première (1) et deuxième (2) électrodes fixes disposées dans des plans sensiblement parallèles et une électrode mobile (3) sensible à l'action de forces d'inertie, cette électrode étant agencée de manière à définir des premier (1,3) et deuxième (2,3) condensateurs électriques avec les première (1) et deuxième (2) électrodes respectivement, et des moyens sensibles à la différence des capacités de ces condensateurs pour en déduire une mesure de l'accélération supportée par l'électrode mobile (3) du capteur, caractérisé en ce que les première (1) et deuxième (2) électrodes sont superposées et disposées de part et d'autre de l'électrode mobile (3), celle-ci prenant la forme d'une poutre ancrée par une extrémité (3,) sur un support fixe (4) solidaire des première (1) et deuxième (2) électrodes. 2. Capteur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une masselotte (7) fixée sur l'électrode mobile (3), au voisinage de l'extrémité libre (32) de celle-ci. 3. Capteur conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que ladite masselotte (7) repose sur une partie élargie (33) de l'électrode mobile (3). 4. Capteur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une butée fixe (8) pour limiter le débattement de l'électrode mobile (3). 5. Capteur conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que ladite butée (8) est métallique et en ce qu'une liaison électrique connecte en permanence l'électrode mobile et cette butée (8). 6. Capteur conforme à l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'électrode mobile (3) porte au moins une excroissance (11) qui coopère avec la butée (8) pour définir le débattement maximal de ladite électrode (3). 7. Capteur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, au droit des première (1) et deuxième(2) électrodes, l'électrode mobile (3) est percée d'ouvertures (10,) de passage d'un gaz, de manière à assurer un amortissement visqueux de ses vibrations. 8. Capteur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour régler la raideur de l'ancrage de l'électrode mobile à une valeur prédéterminée. 9. Capteur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens sensibles à la différence des capacités des premier et deuxième condensateurs prennent la forme d'un circuit électronique intégré dans un substrat semiconducteur (4), ce substrat portant les première (1) et deuxième (2) électrodes ainsi que l'électrode mobile (3) au droit du circuit intégré, qui est électriquement relié à chacune de ces trois électrodes. 10. Ensemble de plusieurs capteurs miniatures conforme à la revendication 9, portés par un même substrat (4), caractérisé en ce que les électrodes desdits capteurs sont dimensionnées de manière à présenter, pour au moins une des grandeurs caractéristiques du groupe formé par: la sensibilité, la bande passante, l'amortissement, des valeurs distinctes prédéterminées.