Brevet FR2895501A1 — publié le 20070629

Microsystème, plus particulièrement microgyromètre, avec au moins deux masses oscillantes couplées mécaniquement 10 Domaine technique de l'invention L'invention concerne un microsystème, plus particulièrement un microgyromètre, réalisé dans un substrat plan et comportant : au moins deux masses oscillantes, reliées au substrat par des moyens 15 élastiques de suspension, et des moyens de couplage de deux masses oscillantes adjacentes, aptes à produire un mouvement en opposition de phase desdites masses oscillantes, lors de leur excitation selon une direction d'excitation prédéterminée. 20 État de la technique Dans le domaine des microsystèmes, du type capteurs ou actionneurs, il est 25 connu d'utiliser un microgyromètre, pour la mesure inertielle de la vitesse de rotation. Un microgyromètre utilise classiquement la force de Coriolis, générée par une masse en vibration sous l'effet d'une rotation, pour mesurer la vitesse. La force de Coriolis est engendrée dans une direction perpendiculaire à la vibration d'excitation et à l'axe de rotation. 30 Un microgyromètre est un composant micro-usiné, de préférence, dans le plan d'un substrat, et comportant classiquement au moins deux masses oscillantes, entraînées par tout moyen d'excitation approprié dans une même orientation d'oscillation, mais dans un sens de déplacement opposé (déplacement en opposition de phase). Les masses oscillantes intègrent classiquement des éléments de détection dans leur structure, destinés à la détection de la force de Coriolis. II existe deux grandes familles de détection. La première famille consiste à io une détection dans le plan du substrat sur lequel est réalisé le microgyromètre, avec un axe de rotation perpendiculaire au substrat. La seconde famille consiste à une détection perpendiculaire au plan du substrat, avec un axe de rotation dans le plan du substrat. 15 Pour des raisons technologiques de simplicité et de coût, un microgyromètre à détection dans le plan du substrat est le plus souvent utilisé. À titre d'exemple, les documents WO-A-9605480, WO-A-2004042324 et le brevet US 6752017 décrivent chacun un microgyromètre à excitation et détection dans le plan du substrat. 20 Le document WO-A-2004042324 décrit notamment un microgyromètre avec un couplage des masses oscillantes par des ressorts, permettant d'effectuer la détection dans une seule direction. Cependant, ce type de couplage réduit considérablement la sensibilité du microgyromètre. 25 Le brevet US 6752017 décrit notamment un microgyromètre avec un système de couplage des masses oscillantes permettant de séparer les modes de vibration en phase et en opposition de phase. Cependant, l'efficacité de mesure est moindre et le fonctionnement du microgyromètre 30 n'est pas optimal. Pour améliorer le fonctionnement d'un microgyromètre, il est connu d'effectuer une rnesure différentielle, c'est-à-dire effectuer une mesure de la force de Coriolis lorsque les masses oscillantes sont excitées en opposition de phase. II est donc nécessaire de forcer la vibration des masses à une fréquence plus élevée que la fréquence fondamentale. À titre d'exemple, les brevets US 5635638, US 5728936 et US 5241861 proposent chacun un microgyromètre, dont le mode de vibration en opposition de phase est forcé. Le brevet US 5635638 décrit notamment un microgyromètre à excitation et détection dans le plan du substrat, avec un système de couplage des masses par des poutres. Cependant, une asymétrie du système est observée, ce qui conduit à des mouvements beaucoup moins maîtrisés des masses oscillantes. Les brevets LIS 5728936 et US 5241861 décrivent chacun un microgyromètre avec un système de couplage par liaison des angles opposés des masses oscillantes, par l'intermédiaire d'un lien en rotation, pour forcer le mode de vibration en opposition de phase. Cependant, ce type de microgyromètre est très difficile à mettre en oeuvre et la détection s'avère peu efficace, car elle ne participe pas à la masse inertielle du microgyromètre. Les microgyromètres décrits ci-dessus fonctionnent soit à une fréquence autre que la fréquence fondamentale soit avec un déplacement imposé, égal et opposé des masses oscillantes, qui s'avère très restrictif pour le contrôle de la technologie de fabrication des microgyromètres. Ainsi, quel que soit le microgyromètre connu, il n'offre pas un fonctionnement optimal.30 Objet de l'invention L'invention a pour but de remédier à l'ensemble des inconvénients précités et a pour objet la réalisation d'un microsystème à masses oscillantes couplées, plus particulièrernent un microgyromètre avec deux masses oscillantes, qui soit simple de conception, facile à mettre en oeuvre et qui présente un fonctionnement optimal. L'objet de l'invention est caractérisé en ce que : le microsystème comporte au moins une paire de moyens élastiques de suspension, disposés sur des côtés opposés de deux masses oscillantes adjacentes et ayant un axe de plus faible raideur orienté dans ladite direction d'excitation, lesdits moyens de couplage connectent des zones intermédiaires de 15 ladite paire de moyens élastiques de suspension, chaque zone intermédiaire est disposée entre une première extrémité des moyens élastiques de suspension associés, fixée sur la masse oscillante correspondante, et une seconde extrémité des moyens élastiques de suspension associés, fixée sur le substrat par un point d'ancrage 20 correspondant, - lesdites zones intermédiaires, connectées par les moyens de couplage, sont disposées de part et d'autre d'un axe parallèle à la direction d'excitation. 25 Selon un développement de l'invention, lesdits moyens de couplage comportent une barre de couplage rigide, articulée en rotation autour d'un pivot, solidaire du substrat, et comportant deux sections reliées, respectivement, aux zones intermédiaires des moyens élastiques de suspension associés. 4 30 Selon un autre développement de l'invention, les moyens élastiques de suspension sont des ressorts de suspension en forme de serpentin. Selon un mode particulier de réalisation, chaque zone intermédiaire est 5 constituée par une extrémité mobile d'une dernière branche du ressort de suspension, laquelle est fixée au point d'ancrage correspondant. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : 15 La figure 1 représente schématiquement une vue de dessus d'un mode particulier de réalisation d'un microsystème selon l'invention, plus particulièrement un microgyromètre, avec deux masses oscillantes couplées mécaniquement. 20 La figure 2 représente schématiquement une vue de dessus partielle très agrandie des moyens de couplage des masses oscillantes du microgyromètre selon la figure 1. Les figures 3 à 5 représentent différents variantes de réalisation de l'articulation en rotation des moyens de couplage du microgyromètre selon 25 les figures 1 et 2. La figure 6 représente schématiquement une vue de dessus d'une variante de réalisation d'un microsystème selon l'invention, plus particulièrement un microgyromètre, avec deux masses oscillantes couplées mécaniquement. 10 30 Description de modes particuliers de réalisation En référence aux figures 1 à 6, le microsystème 1 est, plus particulièrement, un microgyromètre destiné à la détermination d'une vitesse de rotation, par la mesure de la vibration de masses oscillantes couplées mécaniquement. Le microgyromètre 1 est réalisé, par exemple, par micro-usinage dans un substrat plan (non représenté sur les figures pour des raisons de clarté), définissant le plan de représentation des figures 1 à 6. Dans le mode particulier de réalisation représenté sur la figure 1, le microgyromètre 1 comporte, de préférence, deux masses oscillantes 2a, 2b, de forme générale sensiblement rectangulaire, et, de préférence, identiques et symétriques sur elles-mêmes et l'une par rapport à l'autre. Chaque masse oscillante 2a, 2b est suspendue élastiquement sur le substrat par l'intermédiaire de ressorts de suspension 3a, 3b. Sur les figures 1 et 2, les ressorts de suspension 3a, 3b sont des ressorts en forme de serpentin présentant, dans un même plan parallèle au substrat, une ou plusieurs branches successives en U. Les ressorts de suspension 3a, 3b sont ancrés à leur première extrémité sur les masses oscillantes 2a, 2b et à leur seconde extrémité sur le substrat, par l'intermédiaire de points d'ancrage 4a, 4b correspondants. Sur la figure 1, chaque masse oscillante 2a, 2b est suspendue sur le substrat, respectivement, par quatre ressorts de suspension 3a, 3b et quatre points d'ancrage 4a, 4b correspondants. À titre d'exemple, les points d'ancrage 4a, reliant la masse oscillante 2a au substrat, sont disposés sensiblement vers la partie centrale de la masse oscillante 2a. Les points d'ancrage 4b, reliant la masse oscillante 2b au substrat, sont disposés 3o sensiblement vers l'extérieur et aux quatre coins de la masse oscillante 2b. Chaque masse oscillante 2a, 2b est entraînée en vibration dans une direction d'excitation Ox, selon la flèche F1, par l'intermédiaire, par exemple, de peignes capacitifs interdigités 5, disposés de part et d'autre de chaque masse oscillante 2a, 2b. Comme représenté sur la figure 1, chaque masse oscillante 2a, 2b forme un cadre d'excitation 6a, 6b, sur lequel sont fixés les premières extrémités des ressorts de suspension 3a, 3b et les peignes capacitifs interdigités 5. Les cadres 6a, 6b présentent ainsi deux côtés opposés, respectivement 7a, 7b, io perpendiculairement à la direction d'excitation Ox. Les côtés opposés 7a, 7b sont destinés à être couplés mécaniquement et présentent chacun, de préférence, deux ressorts de suspension 3a, 3b. Les masses oscillantes 2a, 2b comportent chacune également des moyens 15 de détection, participant à la masse inertielle, entourés par les cadres d'excitation 6a, 6b et composés, respectivement, d'un élément de détection 8a, 8b mobile. Chaque élément de détection mobile 8a, 8b est relié au cadre d'excitation 6a, 20 6b correspondant par des ressorts élastiques de rappel 10a, 10b, qui autorisent un degré de liberté selon l'axe Oy. Chaque électrode mobile 8a, 8b vibre dans la direction Oy, selon la flèche F2 (figure 1), définissant l'axe de détection de la force de Coriolis, engendrée par la vibration des masses oscillantes 2a, 2b. 25 Ainsi, lors d'une rotation du substrat selon l'axe Oz, perpendiculaire au plan Ox/Oy définis par le substrat (figure 1), l'élément de détection 8a, 8b mobile va vibrer, selon la flèche F2, à la même fréquence que l'excitation des masses oscillantes 2a, 2b selon la flèche F1. Le déplacement de l'élément 30 de détection 8a, 8b est alors mesuré, pour déterminer ensuite la vitesse de rotation. Dans le mode particulier de réalisation de la figure 2, les deux masses oscillantes 2a, 2b du microgyromètre 1 sont couplées mécaniquement, de manière à produire un mouvement en opposition de phase, lors de leur 5 excitation selon la direction d'excitation Ox. Chaque ressort de suspension 3a du côté 7a du cadre d'excitation 6a associé à la masse oscillante 2a est couplé à un autre ressort de suspension 3b disposé en regard sur le côté opposé 7b du cadre d'excitation 6b associé 10 à la masse oscillante 2b (figures 1 et 2). Sur les figures 1 et 2, les ressorts de suspension 3a, 3b ont leur axe de plus faible raideur orienté dans la direction d'excitation Ox et chaque ressort de suspension 3a, 3b disposé sur les côtés opposés 7a, 7b des masses oscillantes 2a, 2b est couplé avec un autre ressort de suspension 3a, 3b qui lui fait face. 15 Sur la figure 2, les ressorts de suspension 3a, 3b sont en forme de serpentin avec une pluralité de branches successives en U. Une extrémité de chaque ressort de suspension 3a, 3b est solidaire, respectivement, du cadre d'excitation 6a, 6b et une autre extrémité de chaque ressort de suspension 20 3a, 3b est solidaire du substrat par l'intermédiaire du point d'ancrage 4a, 4b correspondant. Sur la figure 2, les deux ressorts 3a, 3b sont couplés par une barre de couplage 11 rigide, présentant deux sections 11 a, 11 b, reliées, 25 respectivement, aux ressorts 3a et 3b. La barre de couplage 11 est articulée en rotation autour d'un pivot vertical 12, solidaire du substrat. La dernière branche des ressorts de suspension 3a, 3b présente une première extrémité fixée sur le point d'ancrage 4a, 4b correspondant et une 30 seconde extrémité mobile. La barre de couplage 11 connecte, de préférence, l'extrémité mobile de la dernière branche en U des ressorts de suspension 3a, 3b. Par ailleurs, les extrémités mobiles des dernières branches des ressorts de suspension 3a, 3b sont disposées de part et d'autre d'un axe AA, parallèle à la direction d'excitation Ox et définissant l'axe de plus faible raideur des ressorts de suspension 3a, 3b (figures 1 et 2). Les dernières branches des ressorts de suspension 3a, 3b sont donc orientées en opposition . Sur la figure 3, représentant un mode particulier de réalisation de l'articulation en rotation de chaque barre de couplage 11 du microgyromètre 1, la barre de couplage 11 comporte un cadre 13 rigide, par exemple de forme carrée, sur lequel sont reliées les premières extrémités des sections 11 a, 11 b de la barre 11. Les secondes extrémités des sections 11a, 11 b, reliées aux ressorts de suspension 3a, 3b correspondants, ne sont pas représentées sur les figures 3 à 5 pour des raisons de clarté. Le pivot vertical 12, par exemple de forme carrée, est disposé au centre du cadre 13 et relié au cadre 13 par l'intermédiaire de quatre ressorts d'articulation 14 élastiques, disposés à l'intérieur du cadre 13. Les ressorts d'articulation 14 sont, de préférence, identiques aux ressorts de suspension 3a et 3b des masses oscillantes 2a, 2b. Deux premiers ressorts d'articulation 14a ont un axe de plus faible raideur orienté perpendiculairement à la direction d'excitation Ox et sont disposés de part et d'autre du pivot 12, parallèlement à la direction d'excitation Ox. Chaque ressort d'articulation 14a comporte une première extrémité reliée au cadre 13 et une seconde extrémité reliée au pivot 12. Deux seconds ressorts d'articulation 14b, disposés perpendiculairement aux 30 premiers ressorts d'articulation 14a, à savoir dans la direction longitudinale de la barre de couplage 11, sont disposés de part et d'autre du pivot 12 et ont un axe de plus faible raideur orienté dans la direction d'excitation Ox. Chaque ressort d'articulation 14b comporte une première extrémité reliée au cadre 13 et une seconde extrémité reliée au pivot 12. Cette configuration des ressorts d'articulations 14a, 14b permet notamment une bonne articulation en rotation de la barre de couplage 11. Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 4, la barre de couplage 11 de distingue de celle décrite précédemment par le cadre 13 rigide, de forme sensiblement rectangulaire, et par le nombre de ressorts d'articulation 14. En effet, le cadre 13 est relié au pivot 12, disposé en son centre, uniquement par les deux ressorts d'articulation 14a, disposés à l'intérieur du cadre 13 de part et d'autre du pivot 12. Les deux ressorts d'articulation 14a sont, de préférence, identiques aux ressorts d'articulations 14a représentés sur la figure 3. Cette configuration des ressorts d'articulation 14a est notamment utilisée dans le cas où il n'y a pas de déplacement de la barre de couplage 11 selon l'axe Oy, lors de l'oscillation des masses oscillantes 2a, 2b. Sur les figures 3 et 4, les ressorts d'articulations 14a, 14b sont, de préférence, du même type que les ressorts de suspension 3a, 3b des masses oscillantes 2a, 2b, à savoir en forme de serpentin présentant, dans un même plan parallèle au substrat, une ou plusieurs branches successives en U. Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 5, la barre de couplage 11 se distingue des barres de couplage 11 représentées sur les figures 3 et 4 par les ressorts d'articulations 14. Sur la figure 5, les ressorts d'articulation 14a et 14b disposés perpendiculairement les uns par rapport aux autres comme décrits sur la figure 3, comportent chacun une première extrémité 15 reliée au pivot 12, disposé au centre du cadre 13, et deux autres extrémités 16 reliées au cadre 13. Chaque ressort d'articulation 14 forme ainsi un ressort plus compact avec deux branches en U, symétriques par rapport à l'extrémité 15 de la branche du ressort 14 reliée au pivot 12. Une telle configuration des ressorts de suspension 14, avec une extrémité 15 reliée au pivot 12 et deux extrémités 16 reliées au cadre 13, permet notamment une symétrie du système en rotation de la barre de couplage 11. Sur la figure 6, la variante de réalisation du microgyromètre 1 se distingue du microgyromètre 1 représenté sur la figure 1 par la barre de couplage 11 reliant les ressorts de suspension 3a, 3b des masses oscillantes 2a, 2b. Chaque masse oscillante 2a, 2b comporte deux ressorts de suspension 3a, 3b sur son côté 7a, 7b, à savoir un ressort de suspension 3a, 3b vers chaque bord des côtés opposés 7a, 7b. La barre de couplage 11 connecte un ressort de suspension 3a de la masse oscillant 2a, disposé vers un premier bord du côté 7a, au ressort de suspension 3b de la masse oscillante 2b, disposé vers un second bord du côté opposé 7b. La barre de couplage 11 connecte ainsi deux ressorts de suspension 3a, 3b disposés en opposition sur les côtés opposés 7a et 7b et disposés de part et d'autre d'un axe AA, passant par la partie centrale des masses oscillantes 2a, 2b, parallèlement à la direction d'excitation Ox. La barre de couplage 11 est ainsi plus longue que les barres de couplage 11 représentées sur la figure 1 et l'articulation en rotation de la barre de couplage 11 s'effectue de la même façon que précédemment, selon les différents modes de réalisation représentés sur les figures 3 à 5. Dans le mode particulier de réalisation de la figure 6, les points d'ancrage 4a, 4b des ressorts de suspension 3a, 3b des masses oscillantes 2a, 2b sont disposés vers la partie centrale des masses oscillantes 2a, 2b. L'ensemble des ressorts de suspension 3a, 3b des masses oscillantes 2a, 2b sont donc symétriques par rapport à la barre de couplage 11. II en résulte notamment une fabrication plus simple d'un tel microgyromètre 1. D'une façon générale, quel que soit le mode de réalisation du microgyromètre 1 (figures 1 et 6) et quel que soit le mode de réalisation de l'articulation en rotation de la barre de couplage 11 (figures 3 à 5), les ressorts de suspension 3a, 3b sont couplés au niveau d'une zone intermédiaire de connexion, définie par un point situé entre leur extrémité fixée au cadre d'excitation 6a, 6b et leur extrémité fixée au point d'ancrage 4a, 4b correspondant. Le couplage par les ressorts de suspension 3a, 3b permet notamment d'obtenir un couplage des masses oscillantes 2a, 2b sans obligation d'un déplacement exactement identique des deux masses oscillantes 2a, 2b. Le microgyromètre 1 accepte alors des variations technologiques légères entre les deux masses oscillantes 2a, 2b. Par ailleurs, le pivot 12 d'articulation en rotation (figures 3 à 5) force le déplacement des deux masses oscillantes 2a, 2b en opposition de phase, qui correspond alors au premier mode de résonance du microgyromètre 1 (figures 1 et 6). Il en résulte une certaine liberté quant à l'amplitude de vibration, ce qui donne plus de souplesse au microgyromètre 1. Le couplage en opposition des ressorts de suspension 3a, 3b (figures 1 et 6) permet ainsi d'optimiser le fonctionnement du microgyromètre 1, avec un mouvement en opposition de phase forcé. De plus, la barre de couplage 11 et le pivot 12 d'articulation en rotation offrent plus de souplesse au fonctionnement du microgyromètre 1 (figures 3 à 5). De plus, le déplacement de la barre de couplage 11 en rotation est réduit par rapport au déplacement des masses oscillantes 2a, 2b, notamment en fonction du nombre de branches en U du serpentin constituant les ressorts de suspension 3a, 3b. La raideur mécanique de l'articulation en rotation est alors moins critique. Le microgyromètre, comme représenté sur les figures 1 et 6, présente ainsi un fonctionnement optimisé, notamment grâce au couplage mécanique des masses oscillantes 2a, 2b au niveau de leurs ressorts de suspension 3a, 3b. De plus, la barre de couplage 11 rigide et le pivot 12 d'articulation en rotation permettent de forcer le mode de vibration en opposition de phase, afin d'assurer une bonne efficacité des mesures de la force de Coriolis. L'invention n'est pas limitée aux différents modes de réalisation décrits ci-dessus. La position de la zone intermédiaire des ressorts de suspension 3a, 3b correspondants, pour la connexion de la barre de couplage 11, peut être différente, tant qu'elle permet de forcer le mode de vibration en opposition de phase des masses oscillantes 2a, 2b. Les peignes capacitifs interdigités 5 des masses oscillantes 2a, 2b peuvent être remplacés par tout autre moyen d'excitation, entraînant la vibration des masses oscillantes 2a, 2b dans la direction d'excitation Ox. Les ressorts de suspension 3a, 3b peuvent être remplacés par tout autre moyen élastique de suspension, tant qu'il permet le couplage mécanique des masses oscillantes 2a, 2b. La forme et le type des ressorts d'articulation 14 peuvent être différents, tant qu'ils permettent une bonne articulation en rotation de la barre de couplage 11. 30 Revendications 1. Microsystème (1) réalisé dans un substrat plan et comportant : - au moins deux masses oscillantes (2a, 2b), reliées au substrat par des moyens élastiques de suspension, - et des moyens de couplage de deux masses oscillantes (2a, 2b) adjacentes, aptes à produire un mouvement en opposition de phase desdites masses oscillantes (2a, 2b), lors de leur excitation selon une 1 o direction d'excitation prédéterminée (Ox), microsystème caractérisé en ce que : - il comporte au moins une paire de moyens élastiques de suspension (3a, 3b), disposés sur des côtés opposés (7a, 7b) de deux masses oscillantes (2a, 2b) adjacentes et ayant un axe de plus faible raideur orienté dans 15 ladite direction d'excitation (Ox), lesdits moyens de couplage connectent des zones intermédiaires de ladite paire de moyens élastiques de suspension (3a, 3b), chaque zone intermédiaire est disposée entre une première extrémité des moyens élastiques de suspension (3a, 3b) associés, fixée sur la masse 20 oscillante (2a, 2b) correspondante, et une seconde extrémité des moyens élastiques de suspension (3a, 3b) associés, fixée sur le substrat par un point d'ancrage (4a, 4b) correspondant, - lesdites zones intermédiaires, connectées par les moyens de couplage, sont disposées de part et d'autre d'un axe (AA) parallèle à la direction 25 d'excitation (Ox). 2. Microsystème selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de couplage comportent une barre de couplage (11) rigide, articulée en rotation autour d'un pivot (12), solidaire du substrat, et comportant deux 30 sections (11a, 11 b) reliées, respectivement, aux zones intermédiaires des moyens élastiques de suspension (3a, 3b) associés. 14 3. Microsystème selon la revendication 2, caractérisé en ce que la barre de couplage (11) comporte : un cadre (13) rigide, sur lequel sont fixées les sections (11a, 11 b) de la barre (11), le pivot (12) étant disposé au centre du cadre (13), et des ressorts d'articulation (14), disposés à l'intérieur du cadre (13) et comprenant chacun au moins une première extrémité reliée au cadre (13) et au moins une seconde extrémité relié au pivot (12). 4. Microsystème selon la revendication 3, caractérisé en ce que la barre de couplage (11) comporte au moins deux premiers ressorts d'articulation (14a), disposés de part et d'autre du pivot (12) et ayant un axe de plus faible raideur orienté perpendiculairement à la direction d'excitation (Ox). 5. Microsystème selon la revendication 4, caractérisé en ce que la barre de couplage (11) comporte deux seconds ressorts d'articulation (14b), disposés de part et d'autre du pivot (12), perpendiculairement aux premiers ressorts d'articulation (14a), et ayant un axe de plus faible raideur orienté dans la direction d'excitation (Ox). 6. Microsystème selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les ressorts d'articulation (14) sont des ressorts en forme de serpentin. 7. Microsystème selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens élastiques de suspension sont des ressorts de suspension (3a, 3b) en forme de serpentin. 8. Microsystème selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque 30 zone intermédiaire est constituée par une extrémité mobile d'une dernière branche du ressort de suspension (3a, 3b), laquelle est fixée au point d'ancrage (4a, 4b) correspondant. 9. Microsystème selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les côtés opposés (7a, 7b) de deux masses oscillantes (2a, 2b) adjacentes comportent chacun deux moyens élastiques de suspension (3a, 3b) disposés en regard les uns des autres.10