Brevet FR2908520A1 — publié le 20080516

Domaine de l'invention La présente invention concerne un capteur d'accélération comportant une masse sismique suspendue à des ressorts de disques au dessus d'un substrat et qui peut pivoter perpendiculairement à la surface supérieure du substrat. Etat de la technique Un tel capteur d'accélération comporte une masse sismique suspendue par des ressorts au dessus d'un substrat et qui peut se déplacer perpendiculairement à la surface supérieure du substrat. Le débattement de la masse sismique sous l'effet d'une accélération perpendiculaire au substrat est saisi par une électrode prévue sous la masse sismique sur le substrat. Des accélérations parasites peuvent déplacer la masse sismique suivant une direction non perpendiculaire à la surface du substrat mais le long de la surface du substrat. A cause des imprécisions de fabrication des ressorts, une accélération parasite suivant la surface du substrat peut également se traduire par un débattement perpendiculaire à la surface du substrat qui risque de fausser la mesure de l'accélération perpendiculairement à la surface supérieure du substrat. En particulier les vibrations peuvent exciter la masse sismique du capteur d'accélération à la fréquence propre le long de la surface du substrat qui fausse la mesure de l'accélération perpendiculairement à la surface supérieure du substrat. La fréquence propre des oscillations le long de la surface supérieure du substrat dépend de la dureté des ressorts le long de la surface supérieure du substrat. Les ressorts sont constitués par des éléments allongés susceptibles de fléchir. La dureté des ressorts le long de la surface supérieure du substrat peut être augmentée en augmentant la section des éléments flexibles. Cela augmente toutefois en même temps la dureté des ressorts dans la direction perpendiculaire à la surface supérieure du substrat. Cela diminue d'autant la sensibilité du capteur d'accélération vis-à-vis de débattement dans la direction z. 2908520 2 But de l'invention La présente invention a pour but de développer un capteur d'accélération sensible, permettant de mesurer les accélérations dans une direction et dont les mesures dans cette direction ne risquent 5 pas d'être faussées par des accélérations parasites perpendiculaires à cette direction. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un capteur d'accélération du type défini ci-dessus caractérisé en ce que les ressorts de disques 10 comportent chaque fois deux barres de flexion reliées l'une à l'autre par des entretoises. Selon l'invention les ressorts sont ainsi constitués de deux barres de flexion reliées par des entretoises. De manière avantageuse un tel ressort a une grande 15 rigidité dans la direction suivant la surface supérieure du substrat. Selon un mode de réalisation préférentiel, chacune des deux barres de flexion a une largeur constante. Selon un développement du mode de réalisation préférentiel, les entretoises ont une longueur constante de sorte que les 20 deux barres de flexion sont parallèles. Selon un autre mode de réalisation préférentiel, les entretoises sont installées en étant écartées régulièrement entre les barres de flexion. De manière avantageuse, on rend maximale la dureté des 25 ressorts dans la direction le long de la surface supérieure du substrat pour une rigidité relativement faible dans la direction perpendiculaire à la surface supérieure du substrat. Selon un autre mode de réalisation préférentiel, les ressorts sont réalisés en une seule pièce avec la masse sismique. 30 De manière avantageuse, on réalise la masse sismique par un procédé de fabrication de semi-conducteur à partir de polysilicium. Selon un autre mode de réalisation préférentiel, les ressorts ont chaque fois une courbure. 2908520 3 De façon avantageuse, les ressorts peuvent être réalisés avec une dureté suffisamment faible dans la direction perpendiculaire à la surface supérieure du substrat sans que l'on augmente de façon considérable les dimensions du capteur d'accélération. 5 Selon un autre mode de réalisation préférentiel, les ressorts sont reliés respectivement par deux parties en saillie à la masse sismique. De façon avantageuse, cela permet de diminuer les efforts maximum agissant sur les ressorts lorsqu'on les fixe à la masse 10 sismique. 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 : 15 - la figure 1 est une vue d'un capteur d'accélération à ressorts non courbés ; - la figure 2 est une vue d'un capteur d'accélération avec des ressorts à courbure simple ; - la figure 3 est un détail d'un ressort à courbure simple selon la 20 figure 2 ; - la figure 4 est un diagramme de la dureté d'un ressort à courbure simple selon la figure 2 en fonction de la longueur d'entretoise ; - la figure 5 est une vue d'un capteur d'accélération comportant des ressorts à trois courbures ; et 25 - la figure 6 est une vue d'un capteur d'accélération avec des ressorts à cinq courbures. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 est une vue d'un capteur d'accélération avec des ressorts 2 à courbure simple. 30 Le capteur d'accélération se compose d'une structure d'épaisseur constante prévue au-dessus d'un substrat passant dans le plan du papier. La structure s'obtient par exemple en déposant une couche de poly-silicium sur une couche d'oxyde avec une épaisseur constante elle-même prévue sur un substrat en silicium. La couche d'oxyde comporte des évidements pour y former des liaisons entre la 2908520 4 couche de poly-silicium et le substrat de silicium. La structure est définie dans la couche de poly-silicium par gravure et on enlève la couche d'oxyde par un procédé de gravure. La couche de silicium reste ainsi reliée au substrat de silicium. 5 La structure comprend une masse sismique 1 de forme carrée et quatre ressorts 2 identiques reliés sur chaque côté de la masse sismique 1 par deux parties en saillie 3 dont une extrémité est reliée à la masse sismique 1. A la place d'une forme carrée on peut également utiliser d'autres formes pour la masse sismique. Les ressorts 2 sont 10 reliés par leurs extrémités 4 au substrat situé en dessous. Les ressorts 2 sont parallèles au côté de la masse sismique 1 pour que le capteur d'accélération soit aussi compact que possible. La masse sismique 1 comporte des trous carrés 5 pour que le milieu de gravure puisse arriver facilement à la couche d'oxyde en cours de fabrication et 15 détacher complètement la masse sismique 1 du substrat situé en dessous. Chaque ressort 2 a deux barres de flexion 6, parallèles reliées par des entretoises 7 et situées à la même distance au dessus du substrat. Ces parties en saillie 3 sont également réalisées comme deux 20 barres de flexion 8, parallèles reliées par des entretoises 9. Le nombre de ressorts est quelconque. Mais dans tous les cas il faut prévoir trois ressorts pour neutraliser les vibrations le long de la surface supérieure du substrat. Pour chaque ressort on peut également prévoir plus de deux barres de flexion reliées par des entretoises. 25 Si sous l'effet d'une accélération dans la direction z perpendiculaire au substrat, la masse sismique 1 est déplacée, les deux barres de flexion 6, parallèles de chaque ressort 2 se déforment. La fixation des ressorts 2 à la masse sismique par deux parties en saillie 3 elles-mêmes flexibles permet de réduire la force maximale qui se produit 30 à la jonction des ressorts élastiques 2 et de la masse sismique rigide 1 pour éviter la rupture des ressorts 2. Sous la masse sismique 1 il y a une électrode non représentée qui détecte le débattement de la masse sismique 1 en mesurant la variation de capacité par rapport à la masse sismique 1. Les vibrations de la masse sismique 1 dans le plan x-y 35 faussent les mesures et doivent être neutralisées. Ces vibrations se 2908520 5 neutralisent tout d'abord grâce aux ressorts 2 prévus sur les quatre côtés de la masse sismique carrée 1. L'amplitude des vibrations et les fréquences propres du système ressort-masse composée de la masse sismique 1 et des ressorts 2 dépendent toujours de la dureté des 5 ressorts 2 dans la direction x et y. Les autres figures montrent des éléments analogues à ceux de la figure 1, portent les mêmes références ou encore seuls les éléments différents portent une référence. La figure 2 est une vue d'un capteur d'accélération avec 10 des ressorts 10 à simple courbure. Les quatre ressorts 10 identiques ont une courbure ou coude 11 en forme d'angle droit entre les deux barres de flexion 12, 13. Une réalisation de la courbure sous la forme d'un angle droit est particulièrement peu encombrante pour une masse sismique de forme carrée. 15 La figure 3 montre un détail d'un ressort 11 à courbure simple selon la figure 2. Le paramètre b désigne la largeur de la barre de flexion et le paramètre I la longueur de l'entretoise ; le paramètre a désigne la largeur de l'entretoise et le paramètre s désigne la distance entre deux entretoises. Selon la figure 2 tous les paramètres s, a, b, 1 20 sont constants mais on peut également varier les paramètres s et a. Les deux barres de flexion peuvent avoir une largeur différente ; leur largeur peut varier de sorte que 1 varie également. La figure 4 est un diagramme de la dureté relative de ressorts à simple courbure le long de la surface du substrat dans la 25 direction y (ky/ky0) et perpendiculairement à la surface supérieure du substrat dans la direction z (kz/kz0) comme fonction de la longueur 1 de l'entretoise calculée numériquement par le procédé des éléments finis ; les autres paramètres s, a, b sont constants. ky désigne la constante de ressort dans la direction y pour une longueur d'entretoise quelconque ; 30 kO désigne la constante de ressort dans la direction y pour 1 = 0 ; kz représente la constante de ressort dans la direction z pour une longueur d'entretoise quelconque ; kO représente la constante de ressort dans la direction z pour 1 = O. La dureté suivant la surface supérieure du substrat augmente avec la longueur de l'entretoise alors que la dureté 35 dans la direction z est indépendante de la longueur de l'entretoise. Le 2908520 6 ressort est réalisé comme élément flexible allongé pour 1 = 0 comme cela est connu par l'état de la technique. L'utilisation d'une longueur d'entretoise 1, appropriée permet d'augmenter de manière quelconque la dureté du ressort 10 suivant la surface supérieure du substrat pour 5 que l'amplitude des oscillations de la masse sismique 1 puisse être diminuée en dessous du seuil souhaité et augmenter la fréquence propre de la masse sismique 1 pour qu'elle ne puisse pratiquement pas être excitée. Les figures 5 et 6 représentent une vue d'un capteur 10 d'accélération à ressorts 14 à triple courbure (ressort en U) ou une vue d'un capteur d'accélération avec des ressorts à cinq courbures (ressorts en S). Le nombre des courbures est quelconque. 15 REVENDICATIONS 1 ) Capteur d'accélération comportant une masse sismique (1) suspendue à des ressorts (2, 10, 14, 15) au dessus d'un substrat et qui peut pivoter perpendiculairement à la surface supérieure du substrat, caractérisé en ce que les ressorts (2, 10, 14, 15) comportent chaque fois deux barres de flexion (6, 12, 13) reliées l'une à l'autre par des entretoises (7). 2 ) Capteur d'accélération selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des deux barres de flexion (6, 12, 13) a une largeur constante. 3 ) Capteur d'accélération selon la revendication 2, caractérisé en ce que les entretoises (7) ont une longueur constante de sorte que les deux barres de flexion (6, 12, 13) sont parallèles. 4 ) Capteur d'accélération selon la revendication 1, caractérisé en ce que les entretoises (7) sont écartées régulièrement entre les deux barres de flexion (6, 12, 13). 5 ) Capteur d'accélération selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ressorts (2, 10, 14, 15) sont réalisés en une seule pièce avec la masse sismique (1). 6 ) Capteur d'accélération selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ressorts (2, 10, 14, 15) ont une courbure (11). 7 ) Capteur d'accélération selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ressorts (2, 10, 14, 15) sont reliés à la masse sismique (1) par deux parties en saillie (3).