Brevet FR2764706A1 — publié le 19981218

ACCELEROMETRE MINIATURISE DU TYPE A COMPENSATION PAR RESSORT DE L'EFFET DE LA PESANTEUR ET SON PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne un accéléromètre miniaturisé du type à compensation par ressort de l'effet de la pesanteur. Elle concerne également un procédé de fabrication d'un tel accéléromètre. L'invention permet de compenser les effets de la pesanteur auxquels l'objet est soumis et donc d'améliorer sa sensibilité à une variation d'accélération. Elle s'applique tout particulièrement aux dispositifs mécaniques de faibles dimensions fabriqués par des techniques relevant de la micro-électronique (micro- usinage par exemple). Le domaine principal d'application de cet accéléromètre est l'étude du mouvement ou du comportement des milieux soumis à la gravité (sismologie par exemple). Un capteur d'accélération est composé d'une masse sismique généralement supportée par un ou plusieurs éléments flexibles. Lorsque cette masse subit des variations d'accélération, celle-ci se déplace et les éléments flexibles se déforment. Le système revient à sa position initiale dès lors que la force due à l'accélération s'annule. Au repos, un capteur d'accélération horizontale n'est soumis à aucun effort. En revanche un accéléromètre à axe sensible vertical subit une force minimale permanente F, due à la pesanteur telle que: F = M. g M représentant la masse sismique et g la constante gravitationnelle. Cette force permanente s'ajoute au signal à mesurer et oblige à une augmentation de la dynamique du capteur lorsqu'on cherche à mesurer des accélérations verticales très faibles (inférieures à 10-6 g). Il est donc important dans ce cas de compenser l'effort dû à la pesanteur par une force constante dirigée dans le sens oppose. Les procédés utilisés pour compenser l'effet de la pesanteur peuvent être classés en deux familles de procédés: ceux qui font intervenir une source d'énergie électrique et ceux qui mettent en oeuvre la force de rappel d'un ressort. Les procédés faisant intervenir une source d'énergie électrique utilisent une force électrostatique ou électromagnétique qui maintient la masse sismique en suspension. Les systèmes à compensation électrostatique ou électromagnétique de la force de pesanteur sont complexes et coûteux. Ils sont consommateurs d'énergie et nécessitent de faire appel à des circuits d'asservissement qui sont sources de bruit et dont la stabilité est difficile à maîtriser notamment dans le cas des forces électrostatiques. Les accéléromètres fabriqués à partir des techniques de la micro-électronique n'utilisent à ce jour que des systèmes de compensation électrostatique ou électromagnétique malgré leurs inconvénients. Ceci s'explique par le fait qu'il n'avait pas été proposé jusqu'à présent de solution simple pour réaliser un ressort étiré par des techniques collectives. Les procédés de compensation de l'effet de la pesanteur qui mettent en oeuvre la force de rappel d'un ressort sont généralement utilisés dans les appareils fabriqués à partir des techniques classiques de la mécanique, c'est-à-dire par usinage puis assemblage individuel de pièces. Cependant, il a été récemment proposé, dans la demande FR-A-2 735 580, un accéléromètre dont la masse sismique est maintenue en équilibre grâce à un ressort précontraint, et qui peut être élaboré par des techniques relevant de la mécanique, de la micro-mécanique ou de la micro-électronique. Le procédé de compensation proposé est basé sur le principe d'un ressort en forme de lame réalisé par précontrainte d'une surface d'un élément (une poutre par exemple) supportant la masse sismique. Il existe enfin des systèmes mixtes utilisant à la fois une force d'origine électrostatique ou électromagnétique et la force de rappel d'un ressort, comme cela est divulgué dans l'article " The Effects of Spring and Magnetic Distortions on Electromagnetic Geophones " de S.J. Chen et K. CHEN, paru dans J. Phys. E: Sci. Instrum. 21 (1988) 943-947. Le procédé de compensation par ressort de la force de pesanteur a comme avantage, par rapport au procédé faisant intervenir une source d'énergie électrique, de ne pas introduire de bruits parasites produits par un système d'asservissement. En outre, une compensation par ressort constitue un procédé simple, stable, peu coûteux et fiable. Les capteurs d'accélération à axe sensible vertical pour lesquels l'effet de la pesanteur sur la masse est compensé par un ressort sont actuellement réalisés par assemblage de différentes pièces mécaniques. En raison de cette construction ces dispositifs ne présentent pas un facteur de qualité Q très élevé. Ce paramètre structural est relié à la densité de bruit Brownien S du dispositif par la relation suivante qui montre que S est inversement proportionnel à Q et M 4kb T(r 11MQ(1- 2)2 + , 2X avec Q MX MX, X: facteur d'amortissement : fréquence or fréquence de résonance kb constante de Boltzman T: température Pour conserver un bruit Brownien qui ne perturbe pas la mesure, les dispositifs actuels ont une masse M importante. Néanmoins, cette solution limite la miniaturisation de l'ensemble. Les appareils performants (capable de détecter quelques nano G sous 1G) les plus petits pèsent donc plusieurs kilogrammes et occupent un volume de quelques dizaines de cm3. La miniaturisation d'un dispositif performant exige de diminuer la masse M et donc d'augmenter le facteur de qualité. Cela peut être obtenu en réalisant l'ensemble du capteur (masse et ressort) dans un matériau ayant un facteur de qualité élevé comme par exemple le silicium monocristallin. Néanmoins, la réalisation d'un dispositif compact comportant un ressort solidaire de la masse pose des difficultés technologiques. En effet, il est difficile de rendre solidaire de petites pièces mécaniques comme le ressort et la masse sismique par des moyens mécaniques telles que des vis ou de la colle sans provoquer des zones o les frottements internes sont importants et provoquent des phénomènes d'amortissement préjudiciables au facteur de qualité. Il faut également préserver une grande souplesse du ressort qui, comme le montrent les équations suivantes, influe sur la sensibilité du capteur. 1 M s =- et S k K+k avec. s souplesse du ressort k raideur du ressort S sensibilité K raideur du dispositif sans ressort de compensation L'objet de la présente invention est de proposer un accéléromètre miniaturisé à compensation par ressort de la force de pesanteur, cet accéléromètre pouvant être réalisé par des procédés de fabrication de la micro-électronique procurant les avantages suivants: faible coût, miniaturisation, bonne qualité mécanique des matériaux. On parvient à ce résultat en réalisant les différents éléments de l'accéléromètre (support, masse sismique et ressort) dans un même substrat, ce substrat pouvant être un substrat composite. Un objet de la présente invention consiste donc en un accéléromètre miniaturisé comportant - un support, - une masse sismique susceptible d'être soumise à une force induite par une accélération à mesurer, - des moyens de liaison mécanique entre le support et la masse sismique, susceptibles de fléchir sous l'effet de ladite force, - des moyens de détection permettant de déterminer l'accélération à partir de la force induite dans la masse sismique, - des moyens élastiques de compensation de la force exercée sur la masse sismique par la pesanteur et reliant la masse sismique et le support, caractérisé en ce que le support, la masse sismique, les moyens de liaison mécanique et les moyens élastiques de compensation sont des éléments réalisés dans un même substrat, des moyens de réglage étant prévus pour mettre sous tension mécanique les moyens élastiques de compensation afin de compenser la force exercée sur la masse sismique par la pesanteur. Avantageusement, les moyens élastiques comprennent au moins un ressort possédant deux extrémités, l'une des extrémités du ressort faisant corps avec l'un des éléments, support ou masse sismique, l'autre extrémité du ressort étant déplaçable par les moyens de réglage pour être fixée sur l'autre élément, support ou masse sismique, et ainsi mettre le ressort sous tension mécanique. Les moyens de réglage peuvent être des moyens permettant de déplacer l'extrémité déplaçable du ressort dans un seul sens. Dans ce cas, ils peuvent comprendre des lames flexibles et des butées de retenue disposées de manière conjuguée sur l'extrémité déplaçable du ressort et sur l'élément, support ou masse sismique, sur lequel l'extrémité déplaçable du ressort est fixée. Les moyens de détection peuvent être des moyens de détection capacitifs. Dans ce cas, ils peuvent comprendre des dents fixées au support pour former de premières électrodes et des dents fixées à la masse sismique pour former de secondes électrodes, disposées de façon à former des peignes interdigités. Le substrat peut être constitué d'un bloc massif de quartz ou de silicium. Il peut aussi être du type silicium-sur-isolant. Un autre objet de la présente invention consiste en un procédé de réalisation d'au moins un accéléromètre miniaturisé dans un substrat d'un matériau donné, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à: a) graver le substrat selon son épaisseur pour définir: - un support, une masse sismique, - des moyens de liaison mécanique entre le support et la masse sismique susceptibles de fléchir sous l'effet de la force induite par une accélération à mesurer, - au moins un organe destiné à constituer un ressort, dont l'une des extrémités fait corps avec l'un des éléments, support ou masse sismique, et dont l'autre extrémité se termine par une tête pourvue de moyens d'accrochage, - des moyens d'accrochage sur l'autre élément, support ou masse sismique, complémentaires des moyens d'accrochage de la tête de ressort, b) mettre le ressort sous tension mécanique par accrochage de la tête de ressort sur ledit autre élément, support ou masse sismique, jusqu'à compenser la force exercée sur la masse sismique par la pesanteur. Encore un autre objet de la présente invention consiste en un procédé de réalisation d'au moins un accéléromètre miniaturisé dans un substrat silicium-sur-isolant, c'est-à-dire constitué d'une plaquette de silicium recouverte d'une couche d'oxyde de silicium puis d'une couche de silicium, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à: a) graver la couche de silicium jusqu'à atteindre la couche d'oxyde de silicium pour définir: - un support, - une masse sismique, des moyens de liaison mécanique entre le support et la masse sismique susceptibles de fléchir sous l'effet de la force induite par une accélération à mesurer, - au moins un organe destiné à constituer un ressort, dont l'une des extrémités fait corps avec l'un des éléments, support ou masse sismique, et dont l'autre extrémité se termine par une tête pourvue de moyens d'accrochage, - des moyens d'accrochage sur l'autre élément, support ou masse sismique, complémentaires des moyens d'accrochage de la tête de ressort, b) éliminer la couche d'oxyde de silicium sous les éléments autres que le support, c) mettre le ressort sous tension mécanique par accrochage de la tête de ressort sur ledit autre élément, support ou masse sismique, jusqu'à compenser la force exercée sur la masse sismique par la pesanteur. L'étape de gravure peut définir également des dents fixées au support pour former de premières électrodes et des dents fixées à la masse sismique pour former de secondes électrodes, disposées de façon à former des peignes interdigités. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 est une vue de dessus d'un substrat qui vient d'être gravé en vue d'obtenir un accéléromètre miniaturisé selon la présente invention, la figure 2 est une vue en perspective de la partie mécanique d'un accéléromètre selon la présente invention o l'effet dû à la pesanteur a été compensé, - la figure 3 est une vue de détail de la figure 2. La description va porter sur la réalisation de la partie mécanique d'un accéléromètre selon la présente invention grâce aux techniques de la micro- électronique qui permettent l'obtention d'accéléromètres, par exemple à détection capacitive, de faibles dimensions (par exemple 2 cm2 pour la surface la plus importante). Pour plus de détails sur ces techniques, on peut se reporter au document FR-A-2 700 065 qui décrit un "procédé de fabrication d'accéléromètres utilisant la technologie silicium sur isolant". La réalisation peut être collective. Par exemple, 5 dispositifs peuvent être réalisés sur une plaquette de silicium monocristallin de 4 pouces (10,16 cm). La technique de compensation proposée pour l'accéléromètre illustré par les figures 1 à 3 consiste à réaliser un ressort en silicium solidaire de la masse sismique. Le ressort est prétendu en déplaçant l'extrémité libre du ressort (c'est-à-dire l'extrémité opposée à celle qui maintient la masse sismique) jusqu'à ce que la force qu'il engendre équilibre le poids de la masse qu'il supporte. L'extrémité mobile du ressort est alors bloquée dans sa position de réglage comme cela sera décrit plus loin. L'utilisation d'un substrat en matériau monocristallin (silicium, quartz) permet d'obtenir un facteur de qualité Q élevé pour une masse sismique M faible. L'utilisation de la microtechnologie permet la miniaturisation et une fabrication collective donc de faible coût. Les figures 1 à 3 illustrent la réalisation d'un accéléromètre (du moins sa partie mécanique) à partir d'un substrat du type silicium- sur-isolant (appelé SOI dans la terminologie anglo-saxonne). Ce substrat 10 est par exemple constitué d'une plaquette de silicium 11 recouverte successivement d'une couche 12 d'oxyde de silicium et d'une couche 13 de silicium monocristallin (voir la figure 2).Différents procédés connus permettent d'obtenir ce type de substrats. L'épaisseur de la couche 13 de silicium peut varier de 400 nm à 1 mm selon les besoins ou la technique de fabrication du substrat SOI. Par souci de simplification une seule structure d'accéléromètre a été représentée sur les figures. La face libre de la couche 13 est pourvue d'un masque de résine grâce à une technique de photolithographie. La couche 13 est ensuite gravée par un procédé de gravure anisotrope par plasma. Un tel procédé est décrit dans l'article " A Survey on the Reactive Ion Etching of Silicon in Microtechnology " de H. Jansen et al., paru dans J. Micromech. Microeng. 6 (1996), pages 14-28. La gravure est réalisée jusqu'à la couche de silice 12. Ensuite, les parties de silice situées dans les évidements pratiqués dans la couche 13 et sous les parties mobiles de la structure sont dissoutes pour désolidariser les parties mobiles du reste du substrat 10. La gravure permet de définir une masse sismique 1, un organe 2 qui fera office de ressort lorsqu'il sera tendu, et un logement 3 pour le ressort 2. La masse sismique 1 est rattachée au reste du substrat par quatre poutres 4 susceptibles de fléchir sous l'effet d'une accélération à mesurer. La gravure a laissé le ressort 2 attaché à la masse sismique 1. L'extrémité du ressort 2 opposé à la masse sismique est prolongée par une partie 5 appelée tête de ressort. La tête de ressort 5 est pourvue d'un trou 6 pour faciliter sa manoeuvre. La silice a été éliminée sur une surface continue constituée par le logement 3, la masse sismique 1, les poutres 4 et autour de la masse sismique et des poutres. Le support est alors constitué par ce qui reste de la couche 13, de la couche isolante 12 et par la plaquette 11. La gravure a aussi laissé subsister des lames flexibles 31 rattachées aux parois du logement 3 qui sont parallèles à l'axe du ressort 2, et des butées de retenue 51 sur les parois de la tête de ressort 5 qui sont en regard. Les lames flexibles 31 et les butées de retenue 51 sont donc d'une profondeur correspondant à l'épaisseur de la couche de silicium 13 (voir la figure 3). A titre d'exemple, l'épaisseur de la couche de silicium 13 peut être de 200 um, la longueur d'une lame flexible 31 peut être de 250 um, son épaisseur de pm. L'inclinaison des lames peut être de 45 . Les butées de retenue 51 peuvent être de section triangulaire. Le chevauchement des lames flexibles 31 et des butées de retenue peut être de 14 pm. L'accéléromètre représenté est à détection capacitive. Pour cela, la gravure a laissé subsister des dents destinés à former des électrodes et disposés de façon à former des peignes interdigités de chaque côté de la masse sismique. Les parois de la masse sismique 2 qui sont perpendiculaires aux poutres 4 supportent des dents 15, tandis que les parois opposées, appartenant au support, supportent des dents 16. Après métallisation de ces dents, on obtiendra des séries de condensateurs, un condensateur élémentaire étant défini par l'espace compris entre une dent 15 et une dent 16 situé en regard. Pour compenser la force due à la pesanteur, la tête de ressort 5 est déplacée, à l'aide d'un outil pointu introduit dans le trou 6 de la tête, dans le sens opposé à la masse sismique de manière à tendre le ressort. Les lames flexibles 31, en association avec les butées de retenue vont assurer à la fois le réglage et le maintien en position de la tête de ressort 5. Le réglage peut se faire en plaçant l'accéléromètre en position verticale. Le ressort est étiré jusqu'à ce que l'effort exercé compense le poids de la masse sismique. Le contrôle du déplacement de la masse sismique peut être effectué par la mesure des deux capacités différentielles au niveau de chaque réseau de peignes interdigités (lorsque les deux capacités sont identiques, la masse sismique est en position d'équilibre). La symétrie et l'orientation des lames flexibles 31 permettent de bloquer définitivement dans un sens le déplacement de la tête de ressort et donc de maintenir la précontrainte appliquée au ressort. Le décalage relatif des lames flexibles et des butées de retenue permet de positionner précisément la tête de ressort par rapport au support. La position relative des butées de retenue 51 et des lames flexibles 31 peut être prévue à la manière d'un vernier de pied à coulisse. En prévoyant des pas différents pour les butées et pour les lames, il est alors possible de régler la position de la tête de ressort avec une précision accrue. A titre de premier exemple pour une structure SOI, l'épaisseur du ressort peut être de 200 pm (épaisseur de la couche de silicium), sa largeur de 1850 pm (correspondant à la largeur du logement 3), l'épaisseur des lames du ressort de 10 pm, le nombre de lames disposées en zigzag peut être de 200 et l'élongation approximative du ressort/poids de la masse sismique peut être de 25 mm/0,2 g. A titre de deuxième exemple pour une structure SOI, l'épaisseur du ressort peut être aussi de 200 pm, sa largeur de 5000 pm, l'épaisseur des lames du ressort de 30 pm, le nombre de lames disposées en zigzag peut être de 10 et l'élongation approximative du ressort/poids de la masse sismique peut être de 0,9 mm/0,07 g. Dans le cas o le substrat est massif (bloc de quartz ou de silicium monocristallin), la gravure est effectuée dans toute l'épaisseur du substrat. On peut ainsi réaliser des sismomètres de faible encombrement qui peuvent être introduits dans un puits de forage. REVENDICATIONS 1. Accéléromètre miniaturisé comportant: - un support, - une masse sismique(1) susceptible d'être soumise à une force induite par une accélération à mesurer, - des moyens de liaison mécanique (4) entre le support et la masse sismique (1), susceptibles de fléchir sous l'effet de ladite force, - des moyens de détection permettant de déterminer l'accélération à partir de la force induite dans la masse sismique, - des moyens élastiques (2) de compensation de la force exercée sur la masse sismique (1) par la pesanteur et reliant la masse sismique et le support, caractérisé en ce que le support, la masse sismique (1), les moyens de liaison mécanique (4) et les moyens élastiques de compensation (2) sont des éléments réalisés dans un même substrat (10), des moyens de réglage étant prévus pour mettre sous tension mécanique les moyens élastiques de compensation (2) afin de compenser la force exercée sur la masse sismique (1) par la pesanteur. 2. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens élastiques comprennent au moins un ressort (2) possédant deux extrémités, l'une des extrémités du ressort faisant corps avec l'un des éléments, support ou masse sismique (1), l'autre extrémité du ressort (2) étant déplaçable par les moyens de réglage pour être fixée sur l'autre élément, support ou masse sismique (1), et ainsi mettre le ressort (2) sous tension mécanique. 3. Accéléromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de réglage sont des moyens permettant de déplacer l'extrémité déplaçable du ressort (2) dans un seul sens. 4. Accéléromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de réglage comprennent des lames flexible (31) et des butées de retenue (51) disposées de manière conjuguée sur l'extrémité déplaçable du ressort (2) et sur l'élément, support ou masse sismique (1), sur lequel l'extrémité déplaçable du ressort est fixée. 5. Accéléromètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que le pas des lames flexibles (31) est différent du pas des butées de retenue (51). 6. Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection sont des moyens de détection capacitifs. 7. Accéléromètre selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de détection capacitifs comprennent des dents (16) fixées au support pour former de premières électrodes et des dents (15) fixées à la masse sismique (1) pour former de secondes électrodes, disposées de façon à former des peignes interdigités. 8. Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le substrat est constitué d'un bloc massif de quartz ou de silicium. 9. Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le substrat (10) est un substrat du type silicium-sur-isolant. 10. Procédé de réalisation d'au moins un accéléromètre miniaturisé dans un substrat d'un matériau donné, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à: a) graver le substrat selon son épaisseur pour définir: - un support, - une masse sismique, - des moyens de liaison mécanique entre le support et la masse sismique susceptibles de fléchir sous l'effet de la force induite par une accélération à mesurer, - au moins un organe destiné à constituer un ressort, dont l'une des extrémités fait corps avec l'un des éléments, support ou masse sismique, et dont l'autre extrémité se termine par une tête pourvue de moyens d'accrochage, - des moyens d'accrochage sur l'autre élément, support ou masse sismique, complémentaires des moyens d'accrochage de la tête de ressort, b) mettre le ressort sous tension mécanique par accrochage de la tête de ressort sur ledit autre élément, support ou masse sismique, jusqu'à compenser la force exercée sur la masse sismique par la pesanteur. 11. Procédé de réalisation d'au moins un accéléromètre miniaturisé dans un substrat silicium-sur-isolant (10), c'est-à-dire constitué d'une plaquette de silicium (11) recouverte d'une couche d'oxyde de silicium (12) puis d'une couche de silicium (13), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à: a) graver la couche de silicium (13) jusqu'à atteindre la couche d'oxyde de silicium (12) pour définir: - un support, - une masse sismique (1), - des moyens de liaison mécanique (4) entre le support et la masse sismique (1) susceptibles de fléchir sous l'effet de la force induite par une accélération à mesurer, - au moins un organe destiné à constituer un ressort (2), dont l'une des extrémités fait corps avec l'un des éléments, support ou masse sismique (1), et dont l'autre extrémité se termine par une tête (5) pourvue de moyens d'accrochage (51), - des moyens d'accrochage (31) sur l'autre élément, support ou masse sismique (1), complémentaires des moyens d'accrochage (51) de la tête de ressort (5), b) éliminer la couche d'oxyde de silicium sous les éléments autres que le support, c) mettre le ressort (2) sous tension mécanique par accrochage de la tête de ressort (5) sur ledit autre élément, support ou masse sismique (1), jusqu'à compenser la force exercée sur la masse sismique par la pesanteur. 12. Procédé selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que l'étape de gravure définit également des dents (16) fixées au support pour former de premières électrodes et des dents (15) fixées à la masse sismique (1) pour former de secondes électrodes, disposées de façon à former des peignes interdigités.