Brevet FR2731076A1 — publié le 19960830

CAPTEUR ACCE LEROMETRI OUE COMPOSITE INTéGRABLE DANS UN BOTTIER DE PETITES DIMENSIONS. La présente invention a pour objet un capteur accélérométrique composite intégrable dans un boitier de petites dimensions. Elle concerne plus particulièrement un accéléromètre capacitif du type comprenant un corps d'épreuve flexible, pouvant se déplacer sous l'effet d'une accélération en regard d'une structure support fixe. Dans les accéléromètres de ce type, le corps d'épreuve est au moins en partie électriquement conducteur de manière à constituer avec une plage électriquement conductrice du substrat un condensateur dont la capacité varie en fonction de l'accélération. De nombreuses solutions ont été déjà proposées pour réaliser des accéléromètres de ce type. Ainsi, le brevet US 5 006 487 propose un accéléromètre intégré réalisé en silicium au moyen d'un procédé comprenant les étapes suivantes - le dépôt d'une couche de silicium épitaxial dopée P+ sur une plaquette de silicium polie sur ses deux faces et dopée P-, - la gravure du silicium épitaxial pour définir une première forme du corps d'épreuve et de la zone de flexion, - la fixation par fusion d'une seconde plaquette de silicium dopée P- sur la couche dopée P+ de silicium épitaxial, - l'oxydation des surfaces exposées des première et seconde plaquettes dopées P- pour réaliser des couches intermédiaires diélectriques servant à définir les espaces d'excursion du corps d'épreuve, - l'application d'un matériau résistant à la gravure sur la couche intermédiaire pour définir une forme similaire à la première, - la gravure des première et deuxième plaquettes en silicium dopé P- pour réaliser le corps d'épreuve et la zone de flexion, - l'élimination des portions internes des couches intermédiaires diélectriques pour réaliser l'espace d'excursion du corps d'épreuve, - la fixation par fusion de deux plaquettes d'arrêt sur les couches intermédiaires diélectriques des deux plaquettes de silicium dopées P-, qui constituent deux armatures fixes de condensateur entre lesquelles peut se déplacer une armature mobile constituée par le corps d'épreuve. I1 est clair qu'une telle solution est à la fois complexe et coûteuse à réaliser. En outre, elle ne permet pas de maltriser tous les paramètres qui permettent d'obtenir une bonne reproductibilité en matière de précision, lors de fabrications en grande série. Le brevet US 4 483 194 concerne, quant à lui, un accéléromètre intégré dans lequel le corps d'épreuve est relié à la structure support fixe par des éléments de fixation jouant le rôle de ressorts de torsion : Ici aussi, le procédé de fabrication est relativement complexe. L'invention a donc plus particulièrement pour but de supprimer ces inconvénients. Elle propose donc un capteur accélérométrique de type différentiel plus facilement réalisable et qui présente un prix de revient plus réduit avec, cependant, un haut niveau de précision et de reproductibilité, ainsi que des propriétés dynamiques meilleures. Selon l'invention, cet accéléromètre présente une structure sandwich comprenant au moins une plaquette centrale maintenue fixement entre deux plaquettes latérales. La plaquette centrale, réalisée en une matière flexible telle que du silicium est micro-usinée de manière à présenter une forme en E dont l'aile centrale constitue une poutre flexible servant de corps d'épreuve et qui constitue une double armature mobile de condensateur. Les plaquettes latérales, réalisées en matériau rigide, présentant un faible coefficient de dilatation, présentent chacune une face de fixation contre laquelle vient en appui et se trouve solidarisée l'une des faces principales opposées de la partie centrale. Chaque face d'appui porte, dans sa partie située en regard de l'aile centrale, une métallisation constituant une armature fixe de condensateur. La fixation des deux faces latérales sur la plaquette centrale est réalisée à l'aide d'un moyen de fixation tel qu'un collage, une soudure ou une thermodiffusion sous pression, dans une ou plusieurs zones situées en regard de l'âme et des deux ailes latérales de la plaquette centrale. L'écart entre les deux armatures fixes de condensateur et l'armature mobile est obtenu soit à l'aide d'éléments espaceurs situés entre la plaquette centrale et les deux plaquettes latérales, soit grâce à une réduction de l'épaisseur de l'aile centrale formant le corps d'épreuve par rapport à l'épaisseur de l'âme et des deux ailes latérales de ladite plaquette. Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une vue éclatée d'un accéléromètre ; La figure 2 est une vue en perspective montrant le capteur assemblé, capot ouvert Les figures 3 et 4 sont deux vues à plus grande échelle d'une plaquette latérale et de la plaquette centrale du capteur La figure 5 est un schéma de principe d'un circuit électronique pour une mesure différentielle des variations de capacité du capteur accélérométrique. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, l'accéléromètre est enfermé dans un boîtier parallélépipédique rectangle comprenant une base 1 munie de deux séries 2, 3 de pattes de connexion et un capot 4 venant se sertir sur la base 1. Comme précédemment indiqué, l'accéléromètre présente une structure sandwich composée de trois plaquettes superposées, à savoir : une plaquette centrale 5, en un matériau flexible tel que du silicium et deux plaquettes latérales 6 et 7 réalisées en un matériau diélectrique rigide et présentant un faible coefficient de dilatation. Ce matériau rigide peut par exemple consister en du sital, du quartz, du zérodur ou en tout autre matériau de ce genre. La plaquette centrale 5 est réalisée par micro-usinage d'une plaquette standard de silicium (et donc réalisable avec haute précision) d'une épaisseur de quelques dixièmes de millimètres (par exemple 0,36 mm). Elle présente une forme en E, inscrite dans un rectangle, par exemple de 10 mm x 15 m. L'aile centrale 8 du E qui constitue le corps d'épreuve peut, par exemple, présenter une longueur de 12 mm et une largeur de 3 mm. Dans ce cas, les deux ailes latérales 9, 10, de même longueur que l'aile centrale 8 peuvent présenter une largeur de 2,5 mm, l'espace libre entre les ailes latérales et l'aile centrale étant de 1 mm. L'âme 11 du E peut alors présenter une longueur de 10 mm et une largeur de 3 - (figure 3). Une particularité de cette plaquette centrale 5 consiste en ce qu'elle ne nécessite pas de traitement bilatéral à l'eau forte mais un simple traitement unilatéral qui n'affecte pas son épaisseur et sa sensibilité, ces deux paramètres demeurant indépendants du procédé de microusinage (gravure chimique) utilisé. Les plaquettes latérales 6, 7 présentent une forme rectangulaire dont les dimensions sont légèrement différentes de celles de la forme rectangulaire dans laquelle se trouve inscrite la plaquette centrale 5. De même que la plaquette centrale 5, ces plaquettes latérales présentent des dimensions standard et peuvent être réalisées en grande série avec des hautes précisions. La matière utilisée est ici une matière présentant de très bonnes propriétés de rigidité et un très faible coefficient de dilatation. Un tel matériau peut, par exemple, consister en un matériau diélectrique. Dans cet exemple, les plaquettes 6, 7 présentent une largeur plus grande et une longueur plus petite que les dimensions correspondantes de la plaquette centrale 5. Ces plaquettes latérales 6, 7 présentent chacune une face de fixation 12 sur laquelle vient se fixer, par exemple par collage, soudure, thermodiffusion ou par tout autre procédé de fixation analogue, l'une des faces principales opposées de la plaquette centrale 5. Cette face de fixation 12 porte, dans sa partie qui se trouve en regard de l'aile centrale 8 de la plaquette 5 une métallisation 13 qui constitue une armature fixe de condensateur. Cette métallisation 13 se prolonge du côté opposé à 1 'âme 11 de la plaquette centrale 5 par une patte de connexion 14 qui s'étend parallèlement à ladite âme 11. Les zones de fixation prévues sur les plaquettes latérales s'étendent au droit de l'âme 11 et des ailes latérales 9, 10 de la plaquette 5. Au niveau des ailes latérales 9, 10, les zones de fixation présentent une forme en C, 15, 16 dont la concavité s'ouvre à l'opposé de l'aile centrale 8. Cette forme en C sert notamment à assurer le piégeage de la colle de manière à l'empêcher de pénétrer dans la région située entre les électrodes. La zone de fixation 17 prévue sur l'âme centrale 11 s'étend pratiquement sur toute la longueur de cette dernière, sa largeur est inférieure à celle de ladite âme 11. Comme précédemment mentionné, l'aile centrale 8 de la plaquette 5, qui est électriquement conductrice, constitue une armature double de condensateur, mobile par flexion sous l'effet d'une composante d'accélération perpendiculaire à son plan. L'espace libre nécessaire entre cette armature mobile (aile 8) et les deux armatures fixes (métallisations 13) entre lesquelles elle est disposée, peut être obtenu avec précision, par différents moyens. Une première solution consiste à effectuer sur les plaquettes latérales 6, 7 un dépôt de matière, par exemple un dépôt de nickel qui recouvre toute la zone de fixation précédemment décrite 15, 16, 17, cette couche pouvant avoir une épaisseur de l'ordre de 6 pia. La fixation des plaquettes s'effectuant alors au niveau de cette couche (figure 4). Une deuxième solution consiste à disposer entre les plaquettes latérales 6, 7 et la plaquette centrale 5, des cales d'épaisseur (par exemple de 6 pm) pouvant, par exemple, consister en des languettes rectangulaires 18, 19 venant s'intercaler entre les ailes latérales 9, 10 de la plaquette centrale 5 et les plaquettes latérales 6, 7, comme indiqué sur la figure 1. Une troisième solution consiste à réduire, au moyen d'un procédé d'usinage de haute précision, l'épaisseur de l'aile centrale 8 par exemple de 6 pm, au niveau de chacune de ses faces principales. Une fois les plaquettes 5, 6, 7 solidarisées les unes aux autres de la façon précédemment indiqué, l'accéléromètre ainsi obtenu est fixé sur la base 1, et des connexions sont réalisées entre les pattes de connexion 2, 3, la plaquette centrale 5 et les pattes de connexion associées aux métallisations 13. Le collage constitue une technique très simple et très bon marché pour la fixation des éléments de l'accéléromètre : I1 permet d'obtenir une rigidité mécanique suffisante et une bonne résistance aux légères déformations engendrées par les phénomènes de dilatation, dans une large gamme de température. Avantageusement, la surface des armatures fixe et mobile du double condensateur seront sensiblement égales de manière à réduire autant que possible les capacités parasites. Il convient de noter que, dans l'exemple précédemment décrit, outre le fait que les dimensions des plaquettes 6, 7 sont différentes de celles de la plaquette 5, l'axe de symétrie des électrodes des plaquettes latérales 6, 7 est décalé par rapport à l'axe médian de ces plaquettes 6, 7. Grâce à ces dispositions, les plaquettes 6, 7 sont décalées par rapport à la plaquette 5, ce qui facilite les opérations d'assemblage mécanique et de connexion électrique de l'accéléromètre. Du point de vue électrique, l'accéléromètre se comporte comme le double condensateur 20 représenté sur la figure 5 qui comprend deux armatures fixes parallèles 21, 22 entre lesquelles est disposée une armature mobile 23. Cette armature mobile 23 forme avec l'armature fixe 21 un condensateur variable de capacité C1 et avec l'armature fixe 22 un condensateur variable de capacité C2. Au repos, l'armature mobile 23 est à égale distance des armatures fixes 21, 22. De ce fait, les capacités C1 et C2 sont égales à une valeur C. Par contre, lorsque l'armature mobile 23 se déplace sous l'effet d'une accélération, la capacité C1 devient égale à C | AC, tandis que la capacité C2 devient égale à C - AC, la valeur AC étant proportionnelle à l'accélération. Le circuit électronique représenté sur la figure 5 permet de délivrer une tension analogique proportionnelle à 2 x AC. Ce circuit fait intervenir deux générateurs de signaux crénelés G1, G2 en opposition de phase, rythmés par une horloge commune H à une fréquence Fo et alimentés par une tension Uo. Les sorties de ces deux générateurs G1, G2 sont respectivement reliées aux deux armatures fixes 21, 22 de l'accéléromètre. L'armature mobile 23 est, quant à elle, reliée à l'entrée d'un intégrateur I comprenant un amplificateur opérationnel A sur lequel est monté en parallèle un condensateur de capacité Co. La sortie de l'intégrateur I est reliée à l'entrée d'un convertisseur SH, par exemple de type échantillonneur-bloqueur rythmé par l'horloge, qui fournit à sa sortie une tension analogique Us de la forme (C2 - C1) 2Uo Us = -Uo ~~~~~~~~~ = AC C = 2C Co Co Revendications 1. Capteur accélérométrique capacitif du type comprenant un corps d'épreuve flexible pouvant se déplacer sous l'effet d'une accélération en regard d'une structure fixe, caractérisé en ce qu'il présente une structure sandwich comprenant au moins une plaquette centrale (5) maintenue fixement entre deux plaquettes latérales (6, 7), la plaquette centrale (5) étant réalisée en une matière flexible et étant micro-usinée de manière à présenter une forme en E dont l'aile centrale (8), qui est au moins en partie électriquement conductrice, constitue une double armature mobile de condensateur, les plaquettes latérales (6, 7), réalisées en un matériau rigide, à faible coefficient de dilatation, comprenant chacune une face de fixation (12) contre laquelle vient en appui et est solidarisée l'une des faces principales opposées de la plaquette centrale (5), en ce que chaque face de fixation porte, dans sa partie située en regard de l'aile centrale (8), une métallisation (13) constituant une armature fixe de condensateur, et en ce que la double armature mobile forme, avec les deux armatures fixes, un double condensateur variable dont les variations de capacité sont représentatives de l'accélération. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaquette centrale (5) est réalisée en silicium, tandis que les plaquettes latérales (6, 7) sont réalisées en un matériau diélectrique tel que le sital, le quartz ou le zérodur. 3. Capteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la fixation des deux plaquettes latérales (6, 7) sur la plaquette centrale (5) est réalisée à l'aide d'un moyen de fixation tel qu'une soudure, un collage ou une thermodiffusion sous pression. 4. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écart entre la double armature mobile et chacune des deux plaquettes latérales (6, 7) est assuré par une couche réalisée par dépôt sur la face de fixation (12) de la plaquette latérale (6, 7), au niveau des zones de fixation de celle-ci. 5. Capteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'écart entre la double armature mobile et chacune des deux plaquettes latérales (6, 7) est assuré au moyen de languettes intercalaires (18, 19) jouant le rôle de cales d'épaisseur. 6. Capteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'écart entre la double armature mobile et chacune des deux plaquettes latérales (6, 7) est assuré au moyen d'une réduction de l'épaisseur de l'aile centrale (8) au niveau de ses deux faces principales. 7. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les zones de fixation (15, 16) prévues sur les plaquettes latérales (6, 7) au niveau des ailes latérales (9, 10) de la plaquette centrale (5) présentent des formes en C dont la concavité s'ouvre du côté opposé à l'aile centrale (8) de ladite plaquette centrale (5). 8. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaquettes latérales (6, 7) ont des dimensions légèrement différentes de celles de la plaquette centrale (5) et sont décalées l'une par rapport à l'autre. 9. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux armatures fixes (21, 22) sont respectivement connectées aux sorties de deux générateurs de signaux crénelés (gui, G2) en opposition de phase rythmés par une horloge commune (H) et alimentés par une tension (Uo), en ce que la double armature mobile (23) est reliée à l'entrée d'un intégrateur (A, Co) dont la sortie est reliée à l'entrée d'un convertisseur (SH) rythmé par l'horloge (H) et conçu de manière à délivrer une tension analogique dont l'amplitude est proportionnelle au double de l'écart de capacité (AC) de chacun des deux condensateurs variables formés par la double armature mobile (23) et les deux armatures fixes (21, 22).