Brevet FR2818738A1 — publié le 20020628

Etat de la technique La présente invention concerne un composant microméca- nique notamment débitmètre massique comportant: - une languette en une matière micromécanique qui, sous l'influence d'une pression externe agissant sur une première zone de la languette, fléchit élastiquement, une installation de saisie de tension prévue sur la languette élastique, et - une installation de fixation pour tenir une seconde zone de la languette élastique. Bien que la présente invention puisse concerner des com- posants micromécaniques et des structures quelconques notamment des capteurs et des actionneurs, le problème à la base de l'invention concerne la technique des capteurs de flux massique ou débitmètres massiques en micromécanique du silicium. Les capteurs de débit massique servent à déterminer un débit de gaz dans un certain canal d'écoulement, par exemple la vitesse d'écoulement d'un mélange air/carburant dans la tubulure d'aspiration d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. Les capteurs massiques habituels sont généralement fabri- qués en micromécanique du silicium en vrac et ont ainsi l'inconvénient d'une fabrication compliquée et coûteuse. Avantages de l'invention La présente invention a pour but de remédier à ces incon- vénients et concerne à cet effet un composant micromécanique du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que l'installation de fixation est conçue pour que la pression externe produise une modification de la tension mé- canique à l'endroit de l'installation de saisie de tension. Le composant micromécanique selon l'invention offre l'avantage d'une fabrication plus simple et plus économique que les com- posants comparables connrmus, comme par exemple des capteurs de débit massique. Parmi les autres avantages du composant micromécanique selon l'invention il y a sa construction très robuste, c'est-à-dire son insen- sibilité aux incidents notamment aux tirs de particules. Il est également possible d'intégrer un circuit d'exploitation ou de traitement sur la même puce par exemple dans la zone encastrée de la languette. L'idée de base de la présente invention est qu'une languette en matière micromécanique comme par exemple du silicium, fléchit élasti- quement sous l'influence d'une pression externe agissant sur une zone de la surface de la languette. Il est prévu une installation de fixation ou de blocage pour tenir une zone de la languette élastique. Cette installation est telle que la pression externe produise une flexion et une modification de la tension mécanique à l'endroit de la languette par exemple dans la zone de son installation piézo résistante ou autre installation de saisie de tension. Dans un capteur de débit massique, la languette pénètre dans le flux massique pour y être déformée par la pression dynamique. Cette déformation élastique est mesurée par les piézo résistances dans la zone de flexion pour être transformée par un circuit de traitement corres- pondant en un débit massique. Selon un développement intéressant, l'installation de saisie de tension est une installation piézo résistante. Selon un autre développement préférentiel, l'installation de détection est destinée à détecter la variation de résistance de l'installation piézo résistante, produite par la variation de tension mécanique. On peut définir le sens de l'écoulement par le signe algébrique de la variation de résistance. Selon un autre développement préférentiel, la languette comporte une droite de flexion en dessous de laquelle elle est fixée ou en- castrée et l'installation piézo résistante comporte une ou plusieurs bandes résistantes chevauchant la droite de flexion. Selon un autre développement préférentiel, la languette a une forme au moins en partie rectangulaire. Selon un autre développement préférentiel, la languette comporte des découpes ou des cavités le long de la droite de flexion. Selon un autre développement préférentiel, la languette comporte le long de la droite de flexion, des encoches dans sa face opposée à celle portant l'installation piézo résistante. Selon un autre développement préférentiel, la zone tenue de la languette comporte une ou plusieurs cavités pour son blocage. Selon un autre développement préférentiel, la languette est réalisée en une seule partie avec un cadre qui fixe la zone de la pression externe et le passage du flux autour de la languette. Selon un autre développement préférentiel, la languette est rigidifiée par un support de fixation dans sa zone d'encastrement. Selon un autre développement préférentiel, le composant micromécanique est intégré dans un canal d'écoulement, et l'installation piézo résistante est prévue sur la face en aval de l'écoulement. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - les figures la, lb représentent schématiquement un débitmètre ou massique ou capteur de flux massique selon un premier mode de réali- sation de l'invention, - la figure la montre la languette de capteur en vue de dessus, - la figure lb montre la languette de capteur installée dans un canal se- lon une vue en perspective, - la figure 2 est une vue schématique d'un second mode de réalisation de i5 la languette d'un capteur de flux massique selon l'invention, en vue de dessus, - les figures 3a-3c représentent schématiquement la languette d'un cap- teur de flux massique selon un troisième, un quatrième et un cinquième mode de réalisation de l'invention, représentée en coupe, - la figure 4 est une vue schématique de la languette d'un capteur de flux massique correspondant à un sixième mode de réalisation de l'invention selon une vue de dessus, - la figure 5 est une vue schématique de la languette d'un débitmètre de flux massique selon un septième mode de réalisation de l'invention en vue de dessus, - la figure 6 est une vue schématique d'un huitième mode de réalisation de la languette d'un capteur de flux massique en vue de dessus, - la figure 7 est une vue schématique d'un neuvième mode de réalisation d'une languette d'un capteur de flux massique en vue de dessus, - la figure 8 est une vue schématique en coupe d'un dixième mode de réalisation d'une languette de capteur de flux massique selon l'invention. Description des exemples de réalisation Les figures la, lb montrent schématiquement un capteur de débit massique ou débitmètre massique selon un premier mode de réa- lisation de l'invention; la figure 1 montre la languette de capteur en vue de dessus et la figure lb la languette de capteur intégrée dans le canal de passage selon une vue en perspective. Pour les figures la, lb la référence 1 désigne une languette en silicium 2a, 2b. La languette 1 comporte une languette en silicium 2a, 2b intégrée dans la languette 2 d'une bande piézo résistante; la référence désigne la droite de flexion le long de laquelle la languette 1 se déforme élastiquement sous l'effet d'une pression externe; la référence 1 la désigne la zone encastrée de la languette 1; la référence 1 lb désigne une zone li- bre en flexion de la languette 1; la référence 15 désigne un moyen de fixation ou installation de serrage pour ternir la zone 1 la de la languette 1; la référence 25 désigne une installation de détection qui est soit inté- grée dans la languette 1 soit située à l'extérieur de la languette 1. La languette 1 présentée à la figure la est une pièce de sili- cium de forme rectangulaire ayant une même épaisseur partout. Les ré- sistances piézo résistantes 2a, 2b constituent des chemins conducteurs chevauchant la droite de flexion 10 de sorte qu'une flexion de la languette sous l'effet d'une pression interne produit une déformation des piézo ré- sistances 2a, 2b et ainsi une variation de leur résistance. Selon la figure lb, la languette 1 de la figure la est placée dans un canal de circulation 5; la référence 100 désigne le sens de l'écoulement d'un gaz par exemple d'un mélange combustible. Ce type particulier de fixation ou d'encastrement dans l'installation de fixation 15 non représentée à la figure lb pour des raisons de simplification, situe le maximum de la flexion le long de la droite de flexion 1 ce qui donne une variation maximale à la valeur des piézo résistances 2a, 2b. L'installation de détection 25 qui est également seulement représentée à la figure la, traite ces variations de résistance et en déduit (le cas échéant après un calibrage approprié) le flux massique du gaz dans la direction d'écoulement 100 dans le canal 50. Selon la variante de montage de la figure lb, les piézo ré- sistances 2a, 2b sont réalisées sur le côté opposé au flux massique. Elles sont ainsi protégées contre les impacts des particules. La variation de résistance évoquée ci-dessus dépend dans le cas des gaz, de manière linéaire du flux massique; dans le cas de liquide, la relation est de type quadratique. A titre d'exemple, la variation de ré- sistance d'une languette de silicium 1 d'une épaisseur de 400 Wm, d'une largeur et d'une hauteur pénétrant dans le canal de circulation de 2 mm est suffisante pour garantir l'exploitation. Selon la variante la plus simple, la languette 1 est fabriquée à partir d'un substrat habituel, par quelques étapes de procédé suivies d'un sciage. La tension à l'emplacement de la flexion ou le long de la droite de flexion 10 et ainsi la variation de résistance dépendent de manière quadratique de la réciproque de l'épaisseur de la languette 1; c'est-àdire que pour augmenter la sensibilité de la réception, il faut que la languette s soit aussi mince que possible le long de la droite de flexion 10. Les limites sont celles des possibilités techniques et de solidité de la languette 1. Plus cette flexion réversible est importante le long de la droite de flexion 10 et plus élevée sera la sensibilité du capteur concerné. La figure 2 est une vue schématique de la languette d'un l0 capteur de débit massique selon un second mode de réalisation de l'invention, correspondant à une vue de dessus. Dans cette seconde variante de réalisation représentée à la figure 2, le long des droites de flexion 10, il y a des cavités latérales 20a, b des deux côtés de la languette la. La languette la est ainsi plus facile à fléchir au niveau des droites 10 et dans ces conditions le capteur est plus sensible. Ces cavités latérales 20a, 20b peuvent se réaliser facile- ment par gravure (attaque chimique). Comme technique de gravure on peut par exemple utiliser la réalisation de sillons à vitesse élevée. De plus, la position des cavités de la languette la permet un positionnement et un blocage précis dans un boîtier. Cela fixe de manière précise la position dans le canal d'écoulement 50. Les figures 3a-3c correspondent à une vue schématique de la languette d'un capteur de débit massique selon un troisième, un qua- trième et un cinquième mode de réalisation de l'invention selon une vue en coupe. Les figures 3a-3c montre trois variantes. Dans celles-ci, la face opposée à celle des piézo résistances 2a, 2b il y a des encoches 30b, c, 30d. Ces encoches 30b, 30c, 30d se réalisent également facilement par une gravure anisotrope ou isotrope; pour la réalisation selon une gra- vure anisotrope, on effectue une surgravure isotrope pour éviter les effets perturbateurs de l'effet de coin aboutissant à la rupture de la languette lb, lc, ld. Selon les figures 3a, 3b, la languette la, lb comporte une encoche locale; selon la figure 3c la languette est amincie dans toute sa zone au-dessus de la droite de flexion 10. Il est clair que l'on peut égale- ment combiner les différentes encoches représentées aux figures 3. De telles encoches 3b, 3c, 3d concentrent des tensions mécaniques dans la zone des piézo résistances 2a, 2b et cela d'une manière relativement indé- pendante de la fixation dans le boîtier. En d'autres termes, la fixation ou l'encastrement dans ces modes de réalisation n'est pas nécessaire dans toute la zone en dessous de la droite de flexion 10 comme cela est représenté à la figure la; au contraire elle peut se limiter à la partie inférieure des languettes la, lb, le car on aura sur toute la longueur, une flexion variable donnant automati- quement la flexion maximale au niveau de la droite de flexion 10. La figure 4 montre schématiquement la languette d'un capteur de débit massique selon un sixième mode de réalisation de l'invention en vue de dessus. Si les dimensions de la languette sont défi- nies principalement par sciage, on risque que les arêtes de la languette soient endommagées par de petites fissures ou cassures créées par le sciage. Cela pourrait réduire la solidité et ainsi la durée de vie de la lan- guette de silicium. On peut éviter cet inconvénient du sixième mode de réalisation de l'invention selon la figure 4 en obtenant la géométrie de la languette le non par sciage mais par gravure comme par exemple le tran- chage à vitesse élevée. Cela permettrait également de fixer de manière plus précise la définition des dimensions de la partie non tenue 1 lb. Il est clair que le sixième mode de réalisation selon la figure 4 peut également être obtenu en liaison avec des encoches comme dans les troisième à cin- quième modes de réalisation. La figure 5 montre schématiquement la languette d'un capteur de débit massique selon un septième mode de réalisation de l'invention, en vue de dessus. Dans ce septième mode de réalisation selon la figure 5, le long de la ligne de flexion, il y a non seulement des cavités latérales 20e, g analogues aux cavités 20a-20d mais également une cavité centrale 20f en forme de trou continu. Cela permet d'augmenter encore plus la sensi- bilité le long de la droite de flexion 10. La figure 6 est une vue schématique d'un huitième mode de réalisation d'une languette de capteur de débit massique selon l'invention en vue de dessus. Pour ce huitième mode de réalisation selon la figure 6, la zone encastrée 1 la comporte des cavités 40a, 40b pour se fixer sur un boîtier non représenté. Le nombre, la position et la forme des cavités est pratiquement quelconque. La figure 7 est une vue schématique de dessus d'un neu- vième mode de réalisation d'une languette de capteur de débit massique selon l'invention. Dans ce neuvième mode de réalisation selon la figure 7, la languette lh est réalisée en une seule pièce pour la partie encastrée 1 la avec le cadre 45 qui définit la section de passage. Ce cadre 45 peut égale- ment être fixé au boîtier. La figure 8 est une vue schématique d'un dixième mode de réalisation de la languette d'un capteur de débit massique selon l'invention représentée en coupe. Ce dixième mode de réalisation selon la figure 8 comporte une zone encastrée 1 la de la languette li qui est renfor- cée par fixation à un support de fixation 60, par exemple un verre qui lui donne une rigidité supplémentaire facilitant la flexion le long de la droite de flexion 10. Bien que la présente invention fut décrite ci-dessus avec des exemples de réalisation préférentiels, elle n'est pas limitée à ceux-ci mais permet de multiples variantes. L'invention n'est pas limitée à un débitmètre massique mais peut s'appliquer à un grand nombre de composants micromécaniques, ayant une languette élastique. Tous les modes de réalisation présentés peuvent être en principe combinés et peuvent être réalisés en une seule pièce avec un cir- cuit intégré pour l'exploitation des signaux. Ce circuit intégré se situe de préférence dans la zone 1 la de la languette de silicium maintenue par le boîtier c'est-à-dire protégée. Le nombre de piézo résistances n'est pas limité à deux. En fonction du procédé d'exploitation souhaité, on modifiera le nombre des résistances. On peut par exemple prévoir une combinaison de quatre ré- sistances selon un montage en pont de Wheatstone. Comme formes de languettes, on peut également envisager d'autres formes très différentes d'une forme rectangulaire ou autre forme représentée. La forme se choisit pour qu'elle soit la plus intéressante du point de vue de l'aéraulique. Comme installation de détection de la tension, à la place de piézo résistances, on peut également utiliser des jauges de contrainte. REVENDICATIONS 1 ) Composant micromécanique notamment débitmètre massique com- portant: - une languette (1; la-li) en une matière micromécanique qui, sous l'influence d'une pression externe agissant sur une première zone (1 lb) de la languette (1; la- li), fléchit élastiquement, - une installation de saisie de tension (2a-2b) prévue sur la languette élastique (1; la-li), et - une installation de fixation (15) pour tenir une seconde zone (1 la) de la languette élastique (1; la-li), caractérisé en ce que l'installation de fixation (15) est conçue pour que la pression externe pro- duise une modification de la tension mécanique à l'endroit de l'installation de saisie de tension (2a, 2b). 2 ) Composant micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation de saisie de tension (2a, 2b) est une installation à piézo ré- sistances (2a, 2b). 3 ) Composant micromécanique selon la revendication 2, caractérisé par une installation de détection (25) pour détection la variation de résistance de l'installation à piézo résistances (2a, 2b) provoquée par la tension mé- canique. 4 ) Composant micromécanique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la languette (1; la-li) comporte une droite de flexion (10) en dessous de laquelle la languette est tenue, et l'installation de piézo résistances (2a, 2b) comporte une plusieurs bandes résistantes (2a, 2b) qui chevauchement la droite de flexion (10). ) Composant micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la languette (1; la-li) a une forme au moins en partie essentiellement rectangulaire. 6 ) Composant micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la languette (1; la-li) comporte des cavités (20a-g) le long de la droite de flexion (10). 7 ) Composant micromécanique selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la languette (1; la-li) présente le long de la droite de flexion (10), des en- coches (30b-d) du côté opposé à celui de l'installation piézo résistante (2a, 2b). 8 ) Composant micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde zone (1 la) tenue de la languette (lg) comporte une ou plusieurs cavités (40a, 40) pour le blocage. 9 ) Composant micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la languette (la) est réalisée en une seule pièce avec un cadre qui fixe la zone de la pression externe et le passage du fluide sur la languette (lh). ) Composant micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la languette (li) est rigidifiee dans la seconde zone de fixation (1 la) par un support de fixation (60). 11 ) Composant micromécanique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu' il est intégré dans un canal d'écoulement (50) et l'installation piézo résis- tante (2a, 2b) est prévue sur la face de la languette opposée à la face d'attaque dans le sens de passage de fluide (100).