Brevet FR2824909A1 — publié le 20021122

mesures. CAPTEUR DE FORCE A POUTRE VIBRANTE ET ACCELEROMETRE EN FAISANT APPLICATION La présente invention concerne les capteurs de force à poutre vibrante, s comprenant une poutre plate allongée suivant une direction, dont les extrémités sont solidarisées ou solidarisables d'éléments qui appliquent une force d'extension ou de compression à la poutre dans la direction d'allongement de cette dernière, la poutre portant des moyens d'excitation permettant de la faire vibrer en flexion, transversalement à la direction d'allongement, à une fréquence qui dépend de la force o longitudinale qu'elle subit. Les capteurs de ce type sont connus depuis très longtemps. En générai, la poutre est fractionnée en deux lames parallèles et les moyens de mise en vibration sont prévus pour faire vibrer les deux lames symétriquement dans le même plan. Un capteur de ce type se prête bien à l'intégration dans un détecteur inertiel pour constituer un ensemble monolithique miniature. Les éléments qui appliquent une force à la poutre sont par exemple une masse sismique ou masse d'épreuve d'un accéléromètre et le corps de cet accéléromètre. Dans un détecteur miniature, la poutre est généralement en matériau piézo- électrique (quartz ou céramique), ce qui facilite la mise en vibration de la poutre et la o mesure de la fréquence de résonance, qui est celle du courant fourni par la poutre. Il est cependant possible de constituer le capteur en d'autres matériaux. Dans le cas d'un capteur miniature, on peut notamment constituer l'ensemble du détecteur en silicium, en excitant les poutres par l'intermédiaire de couches locales piézo- électrique ou par un autre procédé physique (par exemple capacitif ou magnétique). s Un capteur à deux lames est par exemple décrit dans le document US-A 4 724 351. Des détecteurs utilisant ce genre de capteur, sous une forme améliorée, sont décrits par exemple dans le document EP0331 557. Des accéléromètres miniature sont décrit par le document FR-A-2 784 752 ainsi que dans les demandes de brevet FR 00 10675 et 01 02575 auxquels on pourra se reporter. o En règle générale, les capteurs de force à poutre vibrante utilisent des lames à section droite (orthogonalement à la direction de l'allongement) constante et sensiblement rectangulaire, cette forme étant facile à réaliser, notamment dans le cas d'un capteur miniature. On recherche, dans un capteur de force à poutre vibrante, une valeur aussi élevée que possible du facteur d'échelle K (rapport entre la variation de fréquence et la s force appliquée) et du facteur de surtension Q. Pour une poutre constituée par une lame à section constante, une approximation du facteur d'échelle est: Kw1/ab2 o a est l'épaisseur de la iame et b la largeur (dans le sens de la vibration). Dans le cas o les pertes thermodynamiques sont prépondérantes, le facteur de o surtension Q est donné approximativement par: Q X fo b2 o f0 est la fréquence de résonance de la lame, qui dépend de sa longueur. Dans le cas o la lame est de section rectangulaire, on peut augmenter le facteur d'échelle en diminuant sa largeur b. Mais on diminue en même temps le facteur de surtension ou facteur de qualité Q. La présente invention vise notamment à augmenter le facteur de qualité d'un capteur à poutre vibrante, comportant une ou des lames à section sensiblement rectangulaire, constante ou variable le long de la poutre. Dans ce but, I'invention propose notamment un capteur du genre ci-dessus o caractérisé en ce qu'une rangée de trous, d'axes orientés perpendiculairement à la direction de la vibration et séparés les uns des autres dans le sens longitudinal, est ménagée dans la partie médiane des lames ou de chaque lame constituant la poutre. La diminution de la valeur moyenne de b se traduit par une augmentation du facteur d'échelle K. La présence des trous modifie peu le moment d'inertie I de la lame, étant donné que ces trous sont dans ia partie médiane de la lame, c'est à dire proche du plan de symétrie longitudinal. En revanche, la section moyenne S est diminuée de sorte que le facteur de surtension Q. également proportionnel à fOI/S augmente du fait de la diminution de la section S=ab. L'invention permet en conséquence d'augmenter simultanément le facteur d'échelle K et le facteur de surtension Q. La longueur unitaire des trous sera généralement inférieure à la demi-longueur de la lame ou de la partie de ia lame qui vibre, cela afin de ne pas créer de risques de vibrations parasites des fractions de la lame de chaque côté d'un trou. La largeur du trou sera généralement comprise entre 1/3 et 2/3 de la largeur de la lame. Les trous seront généralement de forme rectangulaire allongée dans le sens d'allongement de la poutre, notamment lorsqu'on utilise une fabrication par attaque chimique. D'autres formes, par exemple circulaires, sont cependant possibles. L'invention propose également un détecteur accélérométrique miniature o comprenant un corps monolithique ayant une partie centrale reliée par des moyens d'articulation à deux masses sismiques chaque masse sismique et une saillie de la partie centrale constituant les éléments reliés par une poutre vibrante du genre ci dessus. La formation des trous par attaque chimique lorsque le détecteur est constitué en matériau très anisotrope peut être facilitée en perturbant le réseau cristallin du matériau préalablement à l'attaque, lorsque celle-ci doit être faite dans une direction défavorable. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparatront à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, o dans lesquels: - la figure 1 est un schéma en perspective, non à 1'échelle, montrant un mode particulier de réalisation; - la figure 2, similaire à la figure 1, montre une variante, - la figure 3 est une vue en perspective, non à 1' échelle, en coupe suivant le plan médian, d'une fraction d'un détecteur accélérométrique comportant un capteur conforme à un autre mode encore de réalisation de l'invention; - la figure 4 est un schéma d'une autre variante encore (les trous n'étant pas représentés), et - la figure 5 est une vue à grande échelle de la fraction dans le cercle V de la figure 4. o Le capteur de force montré en figure 1 comprend une poutre allongée constituée par une lame vibrante unique 6 d'épaisseur a et de largeur b dont les parties terminales sont élargies pour constituer des pattes de fixation sur des éléments 8 et lO capables d'exercer sur la lame une force de traction ou de compression à mesurer selon la direction des flèches FO. Pour constituer un capteur miniature on utilise généralement une poutre en matériau piézo-électrique tel que le quartz. Des plages conductrices 12 s et des conducteurs de liaison portés par la lame et obtenus généralement par métallisation sous vide, reliés à un circuit extérieur non représenté, sont parcourus par les signaux d'excitation et de mesure. Des capteurs miniature de ce genre, ayant par exemple une longueur de quelques millimètres, une largeur entre 30 et 300,um et une épaisseur de 30 à 300,um sont déjà largement utilisés, dans des détecteurs inertiels o notamment. Pour donner à la lame des valeurs de Q et K supérieures à celles d'une lame pleine de mêmes largeurs, épaisseur et longueur, la lame est percée dans sapartie centrale d'une rangée unique de trous 14 alignés dans le sens longitudinal. Ces trous traversent la lame dans le sens de l'épaisseur, c'est à dire orthogonalement à la s direction de vibration F1. Dans le mode de réalisation illustré, ces trous sont sensiblement rectangulaires. Leur largeur est aussi grande que possible dans la mesure compatible avec le maintien d'une résistance mécanique suffisante de la lame en vibration. Dans la variante de réalisation montrée en figure 2 (o les électrodes ou plages o ne sont pas représentées) les trous 14a sont de forme circulaire ou ovalisée dans le sens de la longueur et le rapport entre leur longueur et celui de la lame est beatucoup plus faible que dans le cas de la figure 1. La figure 3 montre une moitié d'un détecteur accélérométrique de constitution symétrique par rapport à l'axe A comportant un capteur suivant un mode particulier de réalisation de l'invention. Le corps ( partie mécanique) du détecteur est similaire à l'un de ceux décrits dans le document FR 00 10675 et il est monolithique. Ce corps présente une partie centrale 16 reliée par des moyens d'articulation, constituées par des zones minces formant charnières, à deux masses sismiques ou masses d'épreuve respectives 24. Chaque masse sismique et une saillie de la partie centrale constituent o les éléments reliés par une poutre vibrante. Dans le cas représenté, cette poutre est fraction née en deux lames parallèles 22 pl acées côte à côte porta nt d es électrodes n on s représentées permettant de les faire vibrer en opposition de phase. Chacune des lames (dont une seule est visible sur la figure 3) présente une rangée de trous 14 du genre déjà décrit. Les détecteurs du genre montré en Figure 3 sont généralement fabriqués par lots s dans une tranche d'épaisseur correspondant à celle que l'on veut donner au détecteur et sont usinés par attaque anisotropique humide. C'est le cas du quartz monocristallin qui a une structure triclinique. La découpe est alors faite par attaque dans une direction préférentielle. Mais les trous doivent alors être pratiqués dans une direction d'attaque lente, ne permettant pas de définir leur dimension. du fait que l'attaque se développe o plus vite dans une direction orthogonale. Une solution permettant de pratiquer les trous de façon précise consiste à désorganiser le réseau cristallin, au moins dans les zones à attaquer, par des ions lourds (xénon par exemple, d'énergie de plusieurs MeV). L' ensem ble de la lame peut être sou m is à l' i rradiatio n et e nsu ite l' attaq ue est effectuée à travers un masque présentant des ouvertures correspondant à l'emplacement des s trous. Le bombardement peut également être fait à travers un masque physique ayant des ouvertures correspondant à l'emplacement des trous. Dans la variante de réalisation du détecteur montrée en figures 4 et 5, o les mêmes numéros de référence que sur la figure 3 sont utilisés pour désigner les co m posants co rrespondants, les deux lames de chaq ue capteu r sont j uxta posées de o façon que leurs plans de vibration soient en regard; elles ne sont plus placées côte à côte et ne vibrent plus dans le même plan. Les lames ont encore une iargeur inférieure à l'épaisseur du détecteur monolithique et notamment de la masse sismique. La direction de la vibration est indiquse par les flèches F. REVENDICATIONS 1. Capteur de force à poutre vibrante, comprenant une poutre plate allongée suivant une direction, dont les extrémités sont solidarisées ou solidarisables d'éléments (8, 10) qui appliquent une force d'extension ou de compression à la poutre dans la direction d'allongement de cette dernière, la poutre portant des moyens d'excitation permettant de la faire vibrer en flexion, transversalement à la direction d'allongement, à u ne fréq uence q ui dépend de la force long itudinale qu'elle su bit, caractérisé en ce qu'une rangée de trous (14), orientés perpendiculairement à la direction de la vibration o et séparés les uns des autres dans le sens longitudinal, est ménagée dans la partie médiane des lames ou de chaque lame de la poutre. 2. Capteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur unitaire des trous (14) est inférieure à la demi-longueur de la lame ou de la partie de la lame qui vibre. s 3. Capteur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la largeur des trous est comprise entre 113 et 2/3 de la largeur de la lame. 4. Capteur suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les trous sont de forme recta ngul aire allo ngée dans le sens d' allong ement de la poutre. 5. Capteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce o que poutre est fractionnée en deux lames parallèles, 6. Détecteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la poutre porte des électrodes appartenant aux moyens d'excitation et à des moyens de mesure de fréquence de vibration. 7. Détecteur accélérométrique comportant un corps monolithique ayant une partie s centrale (16) reliée par des moyens d'articulation à deux masses sismiques (24), ch aq ue masse sis miq ue et une saillie de la partie centrale co n stitu ant l es éléme nts