Brevet FR2862413A1 — publié le 20050520

CAPTEUR DE MESURE A LIAISONS CONDUCTRICES SANS RAIDEUR ET PROCEDE DE FABRICATION L'invention concerne les capteurs électroniques comportant une cellule de microcapteur électromécanique telle qu'un micro-accéléromètre, et elle concerne plus particulièrement le montage de la cellule de microcapteur proprement dite dans un boîtier comportant par ailleurs une (ou plusieurs) carte de circuit imprimé portant les circuits électroniques de traitement associés à la cellule de microcapteur. Pour des raisons tenant à la nature du capteur et à la mesure qu'on veut faire, par exemple la mesure d'une accélération d'un objet susceptible de subir de fortes contraintes, il est parfois nécessaire de monter la cellule d'une manière telle que les vibrations de l'objet qui porte le capteur, ou les chocs subis par cet objet, n'affectent pas la mesure ou même la constitution de la cellule. En effet, typiquement un accéléromètre est très sensible aux vibrations et aux chocs et il fournirait un signal électrique difficilement exploitable si un signal parasite dû à des vibrations de l'objet dont on veut mesurer l'accélération se superposait à la mesure d'accélération proprement dite. D'autre part, les vibrations et chocs pourraient endommager le capteur, ce qui serait encore plus nuisible. La mesure d'accélération n'est pas le seul cas où les vibrations et les chocs sont causes de pannes ou de difficultés de mesure mais elle constitue un cas typique auquel l'invention est particulièrement applicable. La cellule est alors montée dans un boîtier avec interposition d'un élément amortisseur de chocs et vibrations. Par exemple, la cellule est calée dans le boîtier par des blocs de calage en élastomère dont les propriétés d'amortissement mécanique sont adaptées aux chocs et vibrations à filtrer, et la cellule n'est pas en contact physique direct avec le boîtier. Cependant, il faut transmettre des tensions d'alimentations ou des signaux électriques entre la cellule et la carte électronique qui lui est associée, carte qui est également montée dans le boîtier. Il faut donc faire attention à ce que les liaisons électriques ne transmettent pas à la cellule, du fait de leur rigidité, des vibrations et chocs que les éléments amortisseurs devraient absorber. Un mode de liaison électrique possible entre la cellule de microcapteur et la carte électronique est représenté sur la figure 1 en coupe et sur la figure 2 en vue de dessus. La cellule 10, avec ses broches de connexion électrique 12, est contenue dans un boîtier 20 fermé par un couvercle 22; elle est maintenue en place par des blocs amortisseurs 24 (en principe en élastomère) qui la supportent en absorbant les chocs et vibrations transmis par le boîtier. Le boîtier peut être fixé sur un objet sur lequel on fait une mesure, la fixation pouvant se faire par tous moyens et n'étant pas représentée. La cellule est située du côté de la face arrière d'une carte électronique 30 qui porte sur sa face avant des composants 32 et des conducteurs imprimés 34; la carte 30 est percée de trous 36 dans lesquels s'engagent librement (sans contact physique), par l'arrière de la carte, les broches de connexion 12 de la cellule; les extrémités des broches sont reliées, par des fils soudés 14, à des plots conducteurs faisant partie des conducteurs imprimés 34 de la face avant de la carte; les fils sont soudés d'un côté sur l'extrémité de la broche et de l'autre sur un plot respectif associé à cette broche; les fils 14 ne sont pas rectilignes mais ils sont recourbés de manière à jouer un rôle de ressort ayant une faible raideur dans toutes les directions (un fil droit aurait une forte raideur dans la direction de cette droite). Pour assurer une conductivité électrique suffisante entre la carte et la broche (de préférence moins d'un ohm), les fils sont typiquement en or ou aluminium nu ou bien en cuivre isolé par gaine plastique, ou en cuivre ou argent revêtu d'un émail isolant, etc. Le diamètre du fil conducteur est typiquement de 50 micromètres et sa longueur est de quelques millimètres. Le fil doit être préformé avant ou pendant l'opération de soudure pour lui donner la forme courbe qui assure une faible raideur dans toutes les directions, et cette opération de préformage, de même que l'opération de maintien du fil pendant la soudure, est difficile à réaliser. On a constaté que les modules ainsi réalisés pouvaient avoir une 30 mauvaise tenue dans le temps. Les raisons en sont diverses: - mauvaise tenue en fatigue des matériaux utilisés, du fait des contraintes introduites dans leur fabrication par tréfilage; donc difficulté de résister à des vibrations intenses de l'ordre de plusieurs g; affaiblissement du fil lors de la flexion imposée pendant le montage; variabilité dans la fabrication, introduite par le formage et/ou le montage des fils; cette variabilité affecte l'uniformité des caractéristiques mécaniques des différents fils d'un même capteur ou de différents capteurs; - et plus généralement fatigabilité du fil (surtout lorsqu'il est en cuivre), la fatigue s'exerçant principalement à l'endroit de l'encastrement du fil dans la soudure, et ceci d'autant plus que la pression exercée sur le fil lors de l'opération de soudure crée des contraintes subsistant après l'opération; cette fatigue conduit à des ruptures en cas de vibrations et chocs répétés. Une autre manière de réaliser la liaison entre le capteur et la carte peut consister à utiliser une nappe de circuit imprimé souple comme cela est fait dans les imprimantes, les caméscopes, etc. Mais ces nappes sont en général insuffisamment souples à cause de la matière plastique isolante, relativement rigide, sur laquelle reposent les connexions électriques. II existe donc un besoin pour un mode de connexion, simple et ayant à la fois une bonne tenue mécanique et une très faible raideur, entre la cellule et la carte électronique d'un capteur susceptible d'être soumis à des contraintes fortes de vibrations et/ou de chocs. L'invention se propose de fournir une solution améliorant au moins en partie les solutions connues. Le capteur selon l'invention comporte un boîtier, une cellule de microcapteur calée dans le boîtier par des blocs amortisseurs, et une carte électronique comportant des circuits électroniques associés à la cellule, la cellule comportant des broches de connexion passant à travers des trous de la carte, des liaisons conductrices souples étant prévues entre les broches de connexion et des conducteurs imprimés de la carte, ce capteur étant caractérisé en ce que chaque liaison conductrice comprend un ruban mince métallique souple usiné par découpage, s'étendant entre la broche et un conducteur imprimé passant à proximité de la broche, le ruban étant relié électriquement d'un côté au conducteur et de l'autre à la broche et comportant entre le conducteur et la broche un tronçon en forme d'arc parallèle au plan de la carte et s'étendant librement au dessus de la carte avec un espace entre le ruban et la carte. Le ruban, découpé dans une feuille métallique est de préférence reliée électriquement à la broche et au conducteur imprimé par une soudure. Les arcs (de préférence des arcs de cercle) correspondant à différentes liaisons conductrices sont de préférences identiques. Ils s'étendent de préférence sur au moins 180 , et de préférence sur environ trois quarts de tour. La largeur du ruban à l'endroit de l'arc est de préférence inférieure à la largeur du ruban dans des tronçons de ruban s'étendant entre l'arc et la broche ou entre l'arc et le conducteur du circuit imprimé. La largeur de l'arc peut être de quelques dizaines de micromètres, par exemple 70 à 100 micromètres pour une feuille d'épaisseur environ 50 micromètres; cette largeur faible et cette épaisseur faible, combinées à la courbure de l'arc, donnent une très faible raideur à la liaison conductrice dans toutes les directions, et il faut noter que la raideur dans la direction perpendiculaire à la io feuille est largement inférieure à celle qui serait nécessaire pour supporter la cellule, celle-ci étant supportée complètement par les blocs amortisseurs. Les liaisons ne sont donc pas des moyens de support de la cellule mais des moyens de transmission de tensions et courants électriques qui ne transmettent pas de contraintes mécaniques à la cellule. L'une des extrémités de chaque liaison conductrice comprend de préférence un anneau dans le centre duquel passe la broche de connexion de la cellule. L'autre extrémité de la liaison peut aussi comprendre un anneau dans lequel passe un picot soudé au conducteur imprimé, le ruban métallique mince étant alors soudé sur ce picot. Le matériau de la feuille métallique est de préférence un alliage de cuivre et de béryllium choisi en raisons de ses propriétés d'élasticité supérieures à celles du cuivre et de sa conductivité électrique proche de celle du cuivre. Le procédé de fabrication proposé selon l'invention est particulièrement économique car il utilise un usinage collectif d'un ensemble 25 de liaisons électriques. Selon l'invention on propose donc un procédé de fabrication d'un capteur comprenant un boîtier dans lequel sont montés une cellule de microcapteur calée dans le boîtier par des blocs amortisseurs et une carte de circuit imprimé associée à la cellule, le procédé comprenant les opérations suivantes: - usiner par découpage une feuille métallique mince et souple de manière à former dans cette feuille plusieurs liaisons conductrices en forme de ruban étroit ayant une très faible raideur dans toutes les directions, chaque liaison comportant un tronçon courbé en arc dans le plan de la feuillle, ces liaisons étant destinées à relier chacune une broche respective de connexion de la cellule à un conducteur de circuit imprimé de la carte qui passe à proximité de la broche, les différentes liaisons étant solidarisées les unes avec les autres par des ponts faisant partie de la feuille, - placer la cellule derrière la carte, les broches passant à travers des trous de la carte, souder chaque liaison d'un côté à une broche et de l'autre à un conducteur correspondant en laissant un espace libre au dessus de la carte entre le tronçon en arc du ruban étroit et la carte, - et découper les ponts entre liaisons pour les séparer les unes des autres. L'usinage de la feuille est de préférence est un usinage chimique par photolithographie. Le découpage de la feuille inclut de préférence le découpage d'ouvertures aux emplacements où des composants sont placés sur la carte, la feuille étant mise en place sur la carte sur laquelle ont été préalablement soudés des composants. Non seulement les composants mais aussi des picots conducteurs peuvent être soudés sur la carte, et la liaison conductrice est soudée à l'extrémité libre de ces picots. Le ruban étroit peut comporter des terminaisons en forme d'anneau et dans ce cas on enfile cet anneau autour d'une broche de la cellule ou d'un picot conducteur soudé sur la carte, avant de souder l'anneau sur la broche ou le picot. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - les figures 1 et 2, déjà décrites, représentent la liaison d'une cellule de microcapteur à une carte par des fils de cuivre; - la figure 3 représente, en vue de dessus, une liaison conductrice individuelle destinée à relier une broche de la cellule à un plot conducteur de la carte; - la figure 4 représente, en perspective, le montage d'une liaison conductrice sur la carte avant soudure de la liaison; - la figure 5 représente la liaison conductrice soudée; - la figure 6 représente une feuille métallique comportant plusieurs liaisons conductrices découpées; - la figure 7 représente une variante de réalisation des liaisons conductrices; La constitution générale du capteur selon l'invention est celle des figures 1 et 2 à l'exception des liaisons conductrices entre broches 12 de la cellule et conducteurs 34 de la carte de circuit imprimé, et cette constitution générale ne sera donc pas décrite à nouveau. La figure 3 représente une liaison conductrice 50 mise en place (mais non soudée) au dessus d'une broche de connexion 12 de la cellule et d'un plot conducteur 34 imprimé sur la carte; la liaison 50 est destinée à relier cette broche à ce plot. Le trou 36 percé dans la carte et dans lequel peut librement s'enfiler la broche 12 à proximité du plot 34 n'est pas représenté sur la figure 3, étant masqué par une partie de la liaison conductrice qui le recouvre. La liaison conductrice est une liaison à très faible raideur, qui n'est pas destinée à supporter physiquement le poids de la cellule, et l'ensemble des liaisons conductrices associées aux différentes broches ne peut pas supporter ce poids. Le poids de la cellule, comme les forces d'accélération qu'elle peut subir, est entièrement supporté par les blocs amortisseurs 24, en élastomère, de la figure 1. La liaison individuelle 50 est découpée, de préférence par usinage chimique, à partir d'un dessin photolithographié, dans une feuille métallique souple mince. L'épaisseur est choisie pour donner une très faible raideur à la liaison dans le plan perpendiculaire à la feuille métallique,c'est-à-dire, en fonctionnement, dans le plan perpendiculaire à la carte de circuit imprimé. L'ordre de grandeur de l'épaisseur est de 50 micromètres. La feuille est en matériau élastique et très bon conducteur de l'électricité. Le matériau préféré est un alliage de cuivre et de béryllium, tel que l'alliage CuBe2. La forme de la liaison découpée est un ruban étroit (la largeur peut être de l'ordre de 70 à 100 micromètres par exemple sur la majeure partie de la longueur du ruban), la faible largeur étant choisie pour donner une très faible raideur à la liaison dans le plan de la feuille. Le ruban étroit n'est pas rectiligne mais comporte une partie principale 51 recourbée en arc parallèle au plan de la feuille. L'arc est de préférence un arc de cercle, et il s'étend sur un secteur important, de préférence au moins 180 , et dans cet exemple environ trois quarts d'un tour. La longueur de l'arc peut être de l'ordre de 1 cm. L'arc de cercle est représenté centré sur la broche 12 dans l'exemple dessiné sur les figures, mais ce n'est pas obligatoire et la broche n'est même pas forcément située à l'intérieur de la courbure de l'arc. Cette forme en arc s'étendant sur un secteur important est destinée à donner à la liaison conductrice une très faible raideur selon toutes les directions du plan de la feuille. Une extrémité de la partie de ruban 51 en arc de cercle est reliée par un premier tronçon 52 de faible largeur (par exemple la même largeur que l'arc de cercle) à un deuxième tronçon 53 plus large (ordre de grandeur: environ 300 ou 400 micromètres) qui constitue une première terminaison de la liaison. Dans cet exemple, le tronçon 52 s'étend radialement à partir du centre de l'arc de cercle. Une autre extrémité de la partie de ruban en arc de cercle est reliée par un troisième tronçon 54, ici aussi un tronçon radial et de faible largeur, à un quatrième tronçon 55 qui constitue une deuxième terminaison de la liaison. Les tronçons 52, 54 partent de préférence à angle droit des extrémités du tronçon 51. Ils ont pour fonction de permettre à ce dernier de travailler essentiellement en torsion et non en flexion, à la manière d'un ressort hélicoïdal. Le ruban en arc de cercle et les différents tronçons sont configurés de manière que la première terminaison puisse venir au dessus du plot conducteur 34 lorsque la première terminaison est au dessus de la broche 12. La deuxième terminaison 55 est conformée en anneau entourant la broche 12; la largeur de l'anneau est de préférence supérieure à la largeur du tronçon 54. La première terminaison 53 est représentée sur la figure 3 comme étant une barrette linéaire dont l'extrémité peut être soudée au plot conducteur 34; on verra plus loin que cette terminaison 53 peut aussi être en anneau. Cependant, la soudure entre la première terminaison et le plot 35 conducteur peut être indirecte en ce sens qu'on peut prévoir qu'un picot conducteur est inséré dans un trou de la carte au centre du plot 34, ce picot étant soudé au plot conducteur et la première terminaison étant alors soudée à la partie supérieure du picot. Les figures 4 et 5, qui sont des vues en perspective de la face avant ou supérieure de la carte 30, représentent cette dernière solution. Un picot métallique conducteur 38 a été soudé au centre du plot imprimé (en principe après insertion du picot dans un trou au centre du plot 34), en même temps qu'étaient soudés sur la carte les différents composants 32 de celle-ci. La deuxième terminaison 55 est enfilée sur la broche 12 (figure 4) après que io la carte ait été placée au dessus de la cellule 10 calée dans le boîtier par les blocs amortisseurs; la première terminaison est mise en place au dessus du picot 38. Puis, l'opération de soudure est exécutée (figure 5), sur les deux terminaisons. L'anneau 55 est soudé sur toute sa périphérie à la broche 12; l'extrémité de la terminaison 53 est soudée au picot conducteur. On notera que le rétrécissement de largeur entre l'anneau 55 et le tronçon 54, ou entre la terminaison 53 et le tronçon 52, cantonne la soudure sur l'anneau 55 et la terminaison 53 et évite que la soudure mouille les tronçons 52 et 54 de faible largeur, ce qui aurait pour conséquence d'augmenter la rigidité de la liaison. L'angle que forme la barrette 53 avec le tronçon 52, et la longueur de la barrette 53 dépendent de la configuration du circuit imprimé sur la carte et plus précisément de la position du plot conducteur par rapport à la broche à laquelle on veut le raccorder. Après l'opération de soudure, on voit que les mouvements relatifs de la carte et de la cellule sont possibles: la raideur de la liaison est très faible dans les trois dimensions et un débattement est possible du fait que le trou 36 a un diamètre supérieur (par exemple supérieur d'un millimètre) au diamètre de la broche 12 et du fait qu'un espace vertical (par exemple 1 millimètre) est ménagé entre le ruban en arc de cercle 51 et la carte. L'avantage de l'utilisation d'un picot conducteur 38 est qu'on peut ménager un espace libre entre la liaison conductrice et la carte sur toute la longueur du ruban constituant la liaison. Mais même en l'absence de picot, on prévoira de toutes façons qu'au moins la partie 51 en arc de cercle de la liaison est espacée de la carte afin de ne pas gêner les mouvements verticaux de la cellule de capteur par rapport à la carte en cas de choc ou de vibrations. La figure 6 représente la fabrication collective de la feuille pour réaliser et monter simultanément les différentes laisons conductrices sur les différentes broches de la cellule. Le dessin découpé dans la feuille comporte les différentes liaisons, correctement positionnées les unes par rapport aux autres compte-tenu d'une part de la position relative des différentes broches de la cellule et de la position des plots conducteurs auxquels ces broches doivent être reliées. Les tronçons 51 (en arc de cercle), les tronçons 52, 54 (connectés à l'arc de cercle), et les anneaux 55, sont de préférence tous identiques d'une liaison à l'autre, même s'ils ont des orientations différentes d'une liaison à l'autre, afin de minimiser les disymétries de structure, particulièrement dans le cas d'un accéléromètre qui est un type de capteur très sensible aux dissymétries de contraintes qu'il subit. Les liaisons sont reliées à un cadre 57 qui les maintient en place pendant l'opération de soudure: des ponts 58 entre les terminaisons et le cadre 57 servent à ce maintien. Après l'opération de soudure, ces ponts sont éliminés par découpage. Dans l'exemple de la figure 6, on a représenté la feuille métallique sous forme d'un cadre périphérique rectangulaire 57 à l'intérieur du duquel sont disposés seulement les liaisons 50 et les ponts. On peut aussi prévoir que la feuille métallique découpée est constituée par un rectangle ayant sensiblement la même surface que la carte électronique et qui comprend d'une part les découpes de liaisons et de ponts et d'autre part des découpes autour de chaque composant de la carte afin que la feuille puisse être posée sur la carte sans être gênée par les composants. Les parties pleines de la carte, entre les découpes prévues autour des composants, constituent alors le cadre auquel sont rattachés les ponts. La feuille métallique mince peut être découpée par photolithographie dans un ruban continu pour réaliser non seulement toutes les liaisons conductrices entre la cellule et la carte d'un capteur mais aussi les liaisons d'une série de capteurs dans une fabrication continue en grande série, ce qui réduit encore le coût de fabrication. Les opérations de mise en place, de soudure et de découpe des ponts peuvent être effectuées par une machine automatique. La figure 7 représente une variante de réalisation d'une liaison 35 individuelle: dans cet exemple, on a prévu que la terminaison conductrice 55 est un anneau dont la découpe intérieure est une forme cannelée facilitant la mise en place sur la broche à une hauteur déterminée (l'anneau se coince sur la broche) ; on a prévu de plus que la terminaison 53 comporte également une forme d'anneau (également cannelée si on le souhaite) venant s'enfiler sur un picot conducteur tel que le picot 38, préalablement soudé sur la carte. Sur les figures qui précèdent, le tronçon 54 qui relie l'anneau 55 à l'arc de cercle 51 est tourné radialement vers l'intérieur de l'arc de cercle, et la broche 12 est au centre de cet arc. Toutefois, le tronçon 55 pourrait partir o dans une autre direction, même vers l'extérieur de l'arc ou même dans le prolongement de l'arc, la broche n'étant pas au centre de l'arc ni même forcément à l'intérieur de l'arc. Ces solutions sont moins compactes que la solution avec la broche au centre de l'arc mais elles peuvent être utilisées aussi. REVENDICATIONS 1. Capteur comportant un boîtier (20), une cellule de microcapteur (10) calée dans le boîtier par des blocs amortisseurs (24), et une carte électronique (10) comportant des circuits électroniques associés à la cellule, la cellule comportant des broches de connexion (12) passant à travers des trous (36) de la carte, des liaisons conductrices souples étant prévues entre les broches de connexion et des conducteurs imprimés de la carte, ce capteur étant caractérisé en ce que chaque liaison conductrice (50) comprend un ruban métallique mince et souple usiné par découpage, s'étendant entre la broche (12) et un conducteur imprimé (34) passant à proximité de la broche, le ruban étant relié électriquement d'un côté au conducteur et de l'autre à la broche et comportant entre le conducteur et la broche un tronçon (51) en forme d'arc parallèle au plan de la carte et s'étendant librement au dessus de la carte avec un espace entre le ruban et la carte. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ruban est relié électriquement à la broche et au conducteur imprimé par une soudure. 3. Capteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce 20 que le tronçon en forme d'arc est un arc de cercle centré sur la broche. 4. Capteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le tronçon en forme d'arc s'étend sur un secteur angulaire d'au moins 180 . 5. Capteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le ruban comporte au moins une terminaison en anneau enfilée sur la broche ou sur un picot conducteur, l'anneau étant soudé à cette broche ou à ce picot. 6. Capteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le tronçon (51) en arc est complété par deux tronçons (52, 54) s'étendant sensiblement radialement par rapport à un centre constitué par la broche. 7. Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les tronçons (52, 54) s'étendant radialement sont complétés par des tronçons de largeur supérieure à celle de ces derniers. io 8. Capteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le ruban est découpé dans une feuille en alliage de cuivre et de béryllium. 9. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs liaisons conductrices en forme de ruban ayant un tronçon en forme d'arc, caractérisé en ce que les tronçons en forme d'arc des différentes liaisons sont tous identiques. 10. Procédé de fabrication d'un capteur comprenant un boîtier (20) dans lequel sont montés une cellule de microcapteur calée dans le boîtier par des blocs amortisseurs (24) et une carte de circuit imprimé associée à la cellule, le procédé comprenant les opérations suivantes: - usiner par découpage une feuille métallique mince et souple de manière à former dans cette feuille plusieurs liaisons conductrices en forme de ruban étroit ayant une très faible raideur dans toutes les directions, chaque liaison comportant un tronçon (51) courbé en arc dans le plan de la feuillle, ces liaisons étant destinées à relier chacune une broche respective de connexion (12) de la cellule à un conducteur (34) de circuit imprimé de la carte qui passe à proximité de la broche, les différentes liaisons étant solidarisées les unes avec les autres par des ponts (58) faisant partie de la feuille, - placer la cellule derrière la carte, les broches passant à travers des trous (36) de la carte, souder chaque liaison d'un côté à une broche et de l'autre à un conducteur correspondant en laissant un espace libre au dessus de la carte entre le tronçon en arc du ruban étroit et la carte, - et découper les ponts (58) entre liaisons pour les séparer les unes des autres. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'usinage de la feuille est un usinage chimique par photolithographie. 12. Procédé selon l'une des revendications 10 à 11, caractérisé en 1 o ce que le découpage de la feuille inclut le découpage d'ouvertures aux emplacements où des composants sont placés sur la carte, la feuille étant mise en place sur la carte sur laquelle ont été préalablement soudés des composants. 13. Procédé selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que non seulement les composants mais aussi des picots conducteurs (36) sont soudés sur la carte, et la liaison conductrice est soudée à l'extrémité libre de ces picots. 14. Procédé selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que le ruban étroit comporte au moins une terminaison en forme d'anneau (55), et qu'on enfile cet anneau autour d'une broche de la cellule ou d'un picot conducteur soudé sur la carte, avant de souder l'anneau sur la broche ou le picot.