Brevet FR2792068A1 — publié le 20001013

DISPOSITIF DE MESURE D'UNE FORCE DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne un dispositif de mesure d'une force. Etat de la technique antérieure Lorsqu'un homme de métier désire mesurer une force, par exemple pour des applications de pesage, de mesure d'effort, de pression, d'accélération, etc... il peut utiliser une pièce, dite " corps d'épreuve ", qui se déforme sous l'action de cette force, avec apparition de contraintes à la surface de celle-ci. La mesure de ces contraintes permet alors de mesurer ladite force. Pour mesurer ces contraintes, l'homme de métier a à sa disposition plusieurs types de composants sensibles: * Des jauges de contrainte, dont la valeur varie avec la contrainte et la déformation, qui sont rapportées sur le corps d'épreuve. Un circuit électrique de mesure permet alors de mesurer la variation de la valeur de la résistance électrique de ces jauges. De telles jauges peuvent être réalisées sous forme d'une couche mince métallique sur un support souple, d'une couche épaisse obtenue par sérigraphie ou d'un matériau semi- conducteur (silicium par exemple) dopé ou non, dont la résistance varie surtout par effet piézorésistif. * Des dispositifs capacitifs, comme décrit dans la demande de brevet WO 96/05491. La figure 1A illustre un tel dispositif " à variation d'entrefer ". Le déplacement induit par la force F représentée sur la B 13329.3 DB figure lB se traduit par une variation de la distance entre les électrodes 11 et 12, disposées ici à la surface d'un corps d'épreuve 10, donc de l'entrefer. Cette variation est corrélée à la force F qu'elle permet ainsi de mesurer. a Des dispositifs mettant en oeuvre un effet électromagnétique du type dit de force de Laplace, ou encore un effet piézo-électrique. L'homme de métier a alors à résoudre le problème du positionnement sur le corps d'épreuve du composant sensible choisi, notamment lorsque ce composant comporte plusieurs parties indépendantes. Si ce problème est mal résolu, la relation entre le déplacement mesuré et la force appliquée risque d'être mal connue, et la mesure entachée d'erreurs. Le composant sensible peut être déposé ou fabriqué sur un support indépendant du corps d'épreuve, l'ensemble composant-support étant ensuite rapporté sur le corps d'épreuve. Un tel support permet de résoudre le problème de positionnement propre à des composants sensibles à plusieurs parties, ou le problème d'une impossibilité de fabrication du composant directement dans ou sur le corps d'épreuve. L'utilisation d'un tel support 13 est illustrée sur les figures 2A et 2B. La mesure n'est alors plus réalisée à la surface du corps d'épreuve mais à la surface du support. On perd ainsi en sensibilité car la déformation, ou la contrainte, à la surface du support est moindre qu'à la surface du corps d'épreuve, ce qui représente un inconvénient majeur. Pour pallier un tel inconvénient on peut choisir un support dont la géométrie et/ou le matériau qui le constitue transmettent les contraintes sans trop les atténuer. Mais un tel matériau n'est pas forcément B 13329.3 DB compatible avec le procédé de fabrication de l'ensemble composant + support. A l'inverse, ce procédé de fabrication peut imposer ou privilégier un type de support. Par exemple, les dispositifs dérivés des microtechnologies du silicium, en particulier les techniques dites de " micro-usinage de surface ", utilisent, par construction, des supports en silicium qui ne sont pas forcément les mieux adaptés pour pallier l'inconvénient énoncé ci-dessus. On peut également chercher à diminuer l'épaisseur du support en utilisant un support le plus mince possible. On peut ainsi utiliser des films minces en guise de support. Mais de tels dispositifs peuvent être alors difficiles à manipuler. La présente invention a pour objet un dispositif de mesure d'une force permettant de pallier ces inconvénients, en améliorant la transmission des contraintes et le positionnement du composant sensible, sans préjuger de la nature de celui-ci, qui peut être piézorésistif, piézo-électrique, capacitif, électro- magnétique ou autre. Exposé de l'invention La présente invention concerne un dispositif de mesure d'une force comprenant une pièce apte à se déformer sous l'action de cette force, un composant sensible de mesure des contraintes apparaissant à la surface de cette pièce, un support intermédiaire entre cette pièce et ce composant sensible, caractérisé en ce que ledit support présente au moins une zone amincie sur la face en contact avec ladite pièce. Ce support permet de transmettre les contraintes entre la pièce macroscopique (corps d'épreuve de dimension supérieure à quelques B 13329.3 DB millimètres) et le composant sensible microscopique (de dimension inférieure au millimètre). Si l'amincissement du support a lieu en fin du processus de fabrication, l'invention permet de disposer d'un support épais en cours de fabrication. La fabrication et/ou la manipulation du composant sensible s'en trouvent ainsi généralement simplifiées. Avantageusement la zone amincie peut déboucher sur deux côtés en vis-àvis du support. Le support peut présenter au moins un axe de symétrie. Le composant sensible peut être directement fabriqué sur le support. Le composant sensible peut comprendre un condensateur, formé par microusinage, dont la capacité varie sous l'effet de la force appliquée à ladite pièce. Le support peut comporter des électrodes dont les zones de contact ne sont pas en surplomb de la zone amincie. Avantageusement le support et/ou le composant sensible sont en matériaux à base de silicium. Brève description des dessins Les figures 1A et lB, 2A et 2B illustrent des dispositifs de l'art connu. Les figures 3, 4 et 5 illustrent plusieurs réalisations possibles d'un support du dispositif selon l'invention. Les figures 6A et 6B mettent en évidence un avantage de l'invention. Les figures 7A, 7B et 7C illustrent un exemple de réalisation du dispositif de mesure d'une force selon l'invention. Exposé détaillé de modes de réalisation Pour simplifier la description de l'invention, on se limitera ci-dessous au cas d'une détection capacitive, le choix et l'optimisation d'un type B 13329.3 DB particulier du composant sensible 15 ne faisant pas partie de l'invention. La présente invention consiste à utiliser un support 13, tel que défini précédemment, dans lequel est pratiqué au moins un amincissement local 14 sur la face qui est du côté du corps d'épreuve 10. Ainsi dans le cas d'un corps d'épreuve parallélépipédique 10, le support 13 peut être muni, par exemple, d'une ou plusieurs rainures, ou d'un amincissement local comme illustré sur la figure 3. Sur cette figure 3, l'amincissement local 14 est réalisé par exemple sur toute la largeur w du support 13. Mais il est également possible de ne pas faire déboucher cet amincissement sur les flancs du support 13, par exemple si l'on veut mesurer les contraintes dans les directions x et y. On peut ainsi avoir des réalisations du support 13 dont les vues de dessus sont illustrées sur les figures 4 et 5. De plus comme illustré sur la figure 3, les longueurs L1 et L2 ne sont pas nécessairement égales. Dans certains cas, toutefois, il peut être avantageux de respecter une symétrie de réalisation du support 13, par exemple par rapport à un axe. L'invention présente un sérieux avantage par rapport à la solution de l'art connu consistant à amincir l'ensemble du support en vue de rapprocher le composant sensible de la surface du corps d'épreuve. En effet, comme illustré sur la figure 6B, dans le cas d'une flexion une surface du corps d'épreuve 10 s'allonge tandis que l'autre se contracte, par rapport à la situation avant flexion illustrée sur la figure 6A. Seule la fibre dite " neutre " 16 ne s'allonge pas. Or l'allongement d'une fibre du corps d'épreuve est proportionnel à sa distance à la fibre neutre. Dans le cas de la flexion, la distance inter-électrode ne varie B 13329.3 DB pas seulement du fait de l'allongement de la surface du corps d'épreuve. La courbure de celui-ci est cause d'une augmentation supplémentaire de la distance inter- électrode. Pour une courbure donnée, cette augmentation est une fonction linéaire de la hauteur t du composant sensible. Ainsi, contrairement à la solution consistant à amincir le support, le support de l'invention présente l'avantage de permettre une amplification de la sensibilité dans ce cas de flexion. Dans un exemple de réalisation illustré sur les figures 7A, 7B, 7C, le composant sensible est de type capacitif. En partant d'un substrat en silicium sur isolant (SOI) illustré sur la figure 7A, avec une couche 20 de Si, une couche 21 de SiO2 avec un point d'ancrage 23, et une couche 22 de Si, on délimite, comme illustré sur la figure 7B, le composant sensible avec ses électrodes 11 et 12 (isolées électriquement) munies de contacts électriques 24 et 25. Cette phase de réalisation dont les détails de fabrication ne relèvent pas de l'invention est bien connue de l'homme de métier. On peut alors amincir le support 13 ainsi formé (ici avec traversée du support dans toute sa largeur) comme illustré sur la figure 7C. Cette opération peut être accomplie par voie chimique (gravure) ou mécanique (meulage, découpe ou autre). On peut alors réaliser la fixation de ce support 13 sur un corps d'épreuve, par exemple par collage ou scellement. B 13329.3 DB REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure d'une force comprenant une pièce (10) apte à se déformer sous l'action de cette force (F), un composant sensible (15) de mesure des contraintes apparaissant à la surface de cette pièce, un support (13) intermédiaire entre cette pièce et ce composant sensible, caractérisé en ce que ledit support (13) présente au moins une zone amincie (14) sur la face en contact avec ladite pièce. 2. Dispositif selon la revendication, dans lequel la zone amincie (14) débouche sur deux côtés en vis-à-vis du support (13). 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le support (13) présente au moins un axe de symétrie. 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le composant sensible (15) est directement fabriqué sur le support. 5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le composant sensible (15) comprend un condensateur, formé par micro-usinage, dont la capacité varie sous l'effet de la force appliquée à ladite pièce (10). 6. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le support (13) comporte des électrodes dont les zones de contact (25) ne sont pas en surplomb de la zone amincie (14). 7. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le support et/ou le composant sensible sont en matériaux à base de silicium. B 13329.3 DB