Brevet FR2917834A1 — publié le 20081226

Dispositif d'amortissement électrostatique d'un mouvement de vibration d'un mobile résonant Le domaine de l'invention est celui de l'amortissement sélectif de modes de vibration. L'invention présente un intérêt particulier pour réduire des modes de vibration parasites d'un capteur électromécanique résonant. II est connu que des capteurs électromécaniques résonants peuvent êtes employés pour mesurer différentes grandeurs physiques : une pression, une accélération, ou une vitesse angulaire. De tels capteurs comportent une structure vibrante : c'est à partir d'une exploitation d'un mode de vibration particulier de la structure vibrante, appelé mode utile , qu'on évalue une information liée à la grandeur physique à mesurer avec une io haute performance. Par exemple, une variation de fréquence de vibration d'une poutre vibrante d'un capteur de pression permet d'évaluer une pression s'exerçant sur la poutre. Il est souvent nécessaire de recourir à de fortes surtensions mécaniques des modes utiles. Ces surtensions sont en général, obtenues au 15 moyen d'une optimisation entre trois facteurs principaux : - un choix de matériau de la structure vibrante, qui conduit, le plus souvent à un choix de matériau cristallin; - une conception mécanique de la structure qui doit être adaptée au mode utile choisi et, 20 - une création d'un vide assez poussé autour de la structure vibrante. Parallèlement, la présence de modes parasites peut avoir pour effet de dégrader la performance du capteur car elle agit également sur le mode utile. Cette dégradation est souvent d'autant plus importante que le 25 mode parasite est surtendu. Des solutions relevant de l'art antérieur existent pour amortir ces modes parasites, on peut citer par exemple : un amortissement actif ou passif par effet piézo-électrique, un amortissement gazeux, un amortissement par couplage mécanique avec d'autres modes plus amortis et 30 enfin, un amortissement par adjonction de matériaux à fortes pertes mécaniques comme par exemple des colles. Ces différentes solutions ne sont pas parfaites et amènent chacune certains inconvénients. En particulier, un amortissement par effet piézo-électrique nécessite de réaliser des dépôts de matériau piézo-électrique sur des substrats ainsi que des dépôt d'électrodes : ces dépôts constituent des apports de matériaux dont les caractéristiques dégradent les performances du capteur. Par ailleurs, un amortissement gazeux nécessite d'encapsuler les structures vibrantes dans une atmosphère spécifique et d'assurer la stabilité de cette atmosphère dans le temps. Sauf à confiner les gaz dans certaines zones à proximité des structures, ce qui présente des coûts élevés de mise au point et de maintien en conditions opérationnelles, cette solution présente en outre l'inconvénient d'amortir tous les modes de io vibration :aussi bien les modes parasites que les modes utiles. Il est connu qu'en général, les solutions de l'art antérieur pour amortir des vibrations parasites induisent les inconvénients suivants : un ajout de matériau dégradant les performances du capteur, une absence de sélectivité dans les modes de vibration amortis, une complexification de 15 l'architecture mécanique des capteurs et enfin une augmentation sensible de leurs coûts de fabrication. Le but de l'invention est de pallier ces inconvénients. Plus précisément l'invention a pour objet un dispositif d'amortissement électrostatique d'un mouvement de vibration d'un mobile, le mobile étant 20 réalisé en matériau électriquement conducteur, le mouvement du mobile comportant au moins un mode de vibration parasite de fréquence fp à amortir, le dispositif comportant une électrode formant avec le mobile un entrefer de capacité polarisée sous une tension continue par un circuit de polarisation, le circuit de polarisation comprenant, reliés électriquement en 25 série avec l'électrode : - une résistance de charge ; - une inductance ; - une capacité parasite . caractérisé en ce que le circuit de polarisation comporte, en outre, 30 un dispositif électronique compensateur d'impédance, qui comprend une composante d'inductance, une composante de capacitance et une composante de résistance. Un premier avantage du dispositif selon l'invention réside dans la sélectivité de l'amortissement qu'il procure. Cette sélectivité peut porter à la 35 fois sur le mode que l'on amortit mais aussi sur une bande de fréquence pré-déterminée. Ainsi, grâce à l'invention, il est possible de choisir un ou des modes de vibration que l'on souhaite amortir et de lui, ou de leur, affecter un facteur de surtension donné, sur une bande de fréquence de largeur déterminée. Eventuellement, la largeur de la bande vaut 100 Hertz. Un deuxième avantage du dispositif d'amortissement selon l'invention tient en ce qu'il réalise un amortissement de modes parasites sans nécessiter d'apport de matière solide sur des éléments du capteur, comme par exemple un dépôt de matériau piézo-électrique sur une partie mobile de structures vibrantes. Un troisième avantage du dispositif selon l'invention tient en ce qu'il ne nécessite pas une encapsulation du capteur dans une enceinte hermétique garantissant une atmosphère particulière. Un autre avantage de l'invention réside dans les caractères réversibles et activables du dispositif selon l'invention. Ainsi, un capteur électromécanique comportant un dispositif selon l'invention n'a pas l'obligation de le faire fonctionner pour réaliser une mesure. Lorsque le dispositif selon l'invention est hors-fonctionnement, le capteur comportant le dispositif peut néanmoins réaliser une mesure. Cette faculté permet au dispositif selon l'invention de jouer un rôle préventif par exemple pour pallier des dégradations du capteur apparaissant au cours du vieillissement du capteur par exemple en s'intégrant à un dispositif d'autotest et de surveillance du capteur. Enfin, un dernier avantage présenté par le dispositif selon l'invention est de permettre de compenser en outre des effets d'une capacité 25 parasite apparaissant dans le capteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 a représente un schéma de principe d'un dispositif 30 d'amortissement associé à un système masse-ressort représentatif d'un mode de résonance à amortir ; - la figure lb représente un schéma électrique équivalent au dispositif d'amortissement associé au système masse-ressort représentés sur la figure 1 a ; la figure 2 représente un premier exemple de circuit de polarisation comportant un dispositif électronique compensateur d'un dispositif d'amortissement selon l'invention ; - la figure 3a représente un premier mode de réalisation d'un 5 dispositif électronique compensateur d'un dispositif d'amortissement selon l'invention - la figure 3b représente le schéma électrique équivalent au premier mode de réalisation ; - la figure 4a représente un deuxième mode de réalisation d'un 10 dispositif électronique compensateur d'un dispositif d'amortissement selon l'invention - la figure 4b représente le schéma électrique équivalent au deuxième mode de réalisation ; - la figure 5a représente un troisième mode de réalisation d'un 15 dispositif électronique compensateur d'un dispositif d'amortissement selon l'invention - la figure 5b représente le schéma électrique équivalent au troisième mode de réalisation ; 20 D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références. Considérons un mode de vibration d'un capteur électromécanique que l'on souhaite amortir : on peut représenter ce mode de vibration par un 25 système masse-ressort, comme par exemple sur la figure 1 a. Dans ce cas, le système masse-ressort est composé d'une masse sismique M liée à un ressort de coefficient de raideur k. La masse sismique se déplace à une fréquence égale à fM = 1 /2n.à/ M qui correspond au mode de vibration à amortir. 30 Cette représentation de principe peut tout à fait correspondre à une réalité, c'est le cas par exemple pour un capteur électromécanique plan comportant une structure mobile, un dispositif de détection de mouvement suivant un axe sensible Y du plan, un dispositif d'amplification de force pour augmenter la sensibilité du capteur. M est la masse sismique de la structure mobile et k est un coefficient de raideur équivalent selon l'axe sensible du dispositif d'amplification de force. II est connu, qu'un amortissement du mode de vibration peut être obtenu par un transfert d'énergie du système masse-ressort vers un élément 5 électrique de dissipation R. Le transfert d'énergie est réalisé en positionnant une électrode ELE à proximité de la masse sismique. L'électrode est polarisée sous une tension Vo continue et l'élément électrique de dissipation R est inséré en série dans un circuit de polarisation de l'électrode ELE. L'électrode ELE forme avec la masse sismique M un entrefer de capacité C. Lorsqu'une inductance L étant insérée en série dans le circuit de polarisation et lorsque cette inductance L est choisie pour être accordée à la capacité C de l'entrefer, on maximise l'intensité électrique traversant l'élément électrique de dissipation R en évitant un énergie réactive: Le schéma électrique décrivant une dispositif électrostatique d'amortissement est représenté sur la figure 1 b. Dans ce cas, la puissance P dissipée par effet Joule dans l'élément électrique de dissipation R est : 2 P= _ R/ol _ oùwo2=1/(L.C). 2 \2 La puissance P est maximale lorsque w = coo. Si on choisit l'inductance L de façon à ce que 1/ (L.C) = (271)2. (fM)2, c'est à dire de façon à 20 ce que la fréquence de résonance du circuit électrique de polarisation corresponde à la fréquence du mode à amortir, le maximum de puissance P correspond à une atténuation maximale du mode à amortir. Pour situer les ordres de grandeurs, dans un MEMS, comme un accéléromètre micro-usiné, une masse sismique a des dimensions latérales 25 comprises entre quelques micromètres et quelques millimètres. Par exemple, une masse mobile qui a une longueur I = 5 mm, une largeur L = 60,um, qui est éloignée d'une électrode de mêmes dimensions d'une distance d = 3,5pm, la capacité de l'entrefer a une valeur qui correspond à 80.11/d, où eo est la permittivité du vide et vaut 8,85x10-12 C2/(Nxm2), c'est à dire, que la 30 capacité C a une valeur égale environ à 750 fF. Ainsi, pour une valeur de fréquence fM à amortir égale à 4 Kilo-Hertz, la valeur d'inductance L 10 15 2 1û w2 +R2C2w2 \ wo , nécessaire vaut environ 2000 Henry. Cette valeur d'inductance très élevée n'est pas atteignable avec un simple composant électronique. On peut néanmoins émuler une valeur élevée d'inductance en interposant en série dans le circuit de polarisation un dispositif électronique compensateur DEC d'impédance Zeq comportant une valeur d'inductance non nulle comme illustré en figure 2. Un premier mode de réalisation d'un dispositif de compensation du dispositif d'amortissement selon l'invention est représenté sur la figure 3a. Avantageusement, si la composante d'inductance Leq a une valeur 10 non nulle, la capacité C et la composante d'inductance Leq sont liées à fp par une relation de la forme : 1 = 2n.fp. ./(L+LeQ).0 Ce dispositif est connu sous le nom de montage à gyrateur . La figure 3b représente un circuit équivalent à celui présenté sur la figure 5a. L'inductance équivalente Leq vaut R23*C*R24/R22 . La valeur des différentes 15 résistances du dispositif électronique de compensation sont ajustées de manière à ce que L et Leq soient liées avec fp par la relation présentée ci-dessus. Une solution alternative consiste à réaliser des circuits de 20 polarisation comportant une inductance de valeur nulle. Dans ce cas, la puissance P dissipée par effet Joule peut s'exprimer sous la forme suivante : 2 P = 2[1+ RI R,2 1C2w21 La puissance P est maximale pour RCw = 1 et vaut alors R.IIo 2 4 Avantageusement, si l'inductance L possède une valeur nulle et si 25 la composante d'inductance Leq a une valeur nulle, la résistance de charge R et la capacité C sont liées à fp par une relation de la forme R.0 = 1/(2t.fp). En pratique, pour des capteurs électromécaniques réalisés par usinage de substrat de Silicium SOI, il est très difficile d'éviter qu'une capacité parasite Cp apparaisse en série avec la capacité C de l'entrefer sur 30 le circuit de polarisation : le schéma électrique similaire à celui présenté sur la figure 2. On peut montrer que les performances d'amortissement sont dégradées, c'est à dire que la puissance dissipée P est réduite, par cette capacité parasite Cp en effet, en posant CT = C + Cp, la puissance P prend l'expression suivante : P = 2d2Mw2 .1+ (RcTw)2 CVo 2 2RCw Où d est une distance séparant la masse sismique de la structure vibrante de l'électrode et M est la masse de la structure vibrante. 5 Le problème posé par la dégradation des performances d'amortissement peut être résolu en intégrant dans le circuit électrique de polarisation du dispositif d'amortissement, un dispositif de compensation qui compense l'effet de la capacité parasite. 10 Un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de compensation du dispositif d'amortissement selon l'invention est représenté sur la figure 4a. Ce circuit électronique qui comporte un amplificateur est connu classiquement sous l'acronyme anglais VNIC (pour Voltage Negative Impedance Converter ), il est équivalent à une résistance RD1 reliée en 15 parallèle à une capacité de valeur Ceq = -C . R02/R01 entre les bornes A et B, comme présenté sur la figure 4b. Avantageusement, la composante de capacitance Ceq a une valeur égale à - Cp Un troisième mode de réalisation d'un dispositif de compensation 20 du dispositif d'amortissement selon l'invention est représenté sur la figure 5a. Ce circuit électronique est équivalent à trois composants passifs reliés en parallèle, comme présenté sur la figure 5b. une résistances RD2 - R2= -C3 . Z1/Z2 25 - une capacité de valeur Ceq = -C6 . Z2/Z1. On emploie les notation suivantes Z1 = 1/jC1w + R11 et 1/Z2 = jC2w + 1 /R12 Ce troisième mode de réalisation présente en outre l'intérêt de réduire la résistance totale consitituée par la somme de Req et de R pour 30 réduire certaines dérives d'offset. Avantageusement, la composante de résistance Req a une valeur égale à -R. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'amortissement électrostatique d'un mouvement de vibration d'un mobile, le mobile étant réalisé en matériau électriquement conducteur, le mouvement du mobile comportant au moins un mode de vibration parasite de fréquence fp à amortir, le dispositif comportant une électrode ELE formant avec le mobile un entrefer de capacité C polarisée sous une tension continue Vo par un circuit de polarisation, le circuit de polarisation comprenant, reliés électriquement en série avec l'électrode ELE: une résistance de charge R ; une inductance L ; une capacité parasite Cp. caractérisé en ce que le circuit de polarisation comporte, en outre, un dispositif électronique compensateur DEC d'impédance Zeq, qui comprend une composante d'inductance Leq, une composante de capacitance Ceq et une composante de résistance Req . 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composante de capacitance Ceq a une valeur égale à -Cp. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce 20 que si la composante d'inductance Leq a une valeur non nulle, la capacité C et la composante d'inductance Leq sont liées à fp par une relation de la forme : 1 = 2rt.fp. J(L+Leq).0 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce 25 que si l'inductance L possède une valeur nulle et si la composante d'inductance Leq a une valeur nulle, la résistance de charge R et la capacité C sont liées à fp par une relation de la forme R.0 = 1/(2n.fp). 15