Brevet FR2946758A1 — publié le 20101217

B09/1886FR Etablissement public à caractère industriel et commercial dit : Laboratoire National de métrologie et d'Essais Système de référence de tension alternative Invention de : Alexandre BOUNOUH Denis BELIERES Système de référence de tension alternative La présente invention concerne les dispositifs micro-électro- mécaniques (MEMS) et en particulier le domaine de la métrologie électrique. Elle se rapporte plus particulièrement à l'établissement de référence de tension, notamment pour composants intégrés. On connaît déjà, dans l'état de la technique des dispositifs permettant de fournir des références de tension continue. Des références de tension élaborées à partir de jonctions Josephson présentent à cet égard de très hautes performances, en termes de précision, mais des valeurs de tension limitées par le nombre de jonctions possibles qui peuvent être intégrées dans un réseau. L'utilisation de diodes Zener dotées d'une électronique intégrée pour la compensation des effets thermiques permet également de fournir des références de tension continue. Mais elles ne permettent pas de délivrer des étalons de tension alternative. Les seules références de tension alternative sont actuellement générées par des réseaux de jonctions Josephson utilisées comme des convertisseurs analogique numériques programmables. Il a ainsi été proposé d'utiliser des techniques de conversion AC-DC mettant en oeuvre des convertisseurs thermiques. Ces composants possèdent cependant des limites en terme de valeurs accessibles, de mise en oeuvre pratique et de bande de fréquence limitée par les techniques d'échantillonnage. On pourra également se référer au document US 6,657,442 qui décrit l'utilisation d'un dispositif MEMS permettant de réaliser des références secondaires de tension notamment de tension alternative. Comme illustré sur la figure 1, ce dispositif s'appuie sur la caractéristique du phénomène de � pull-in � dans une structure formée par deux électrodes parallèles El et E2 actionnées par un courant alternatif Irms. Dans un tel agencement, l'une des électrodes est fixe tandis que l'autre électrode est mobile perpendiculairement au plan formé par les électrodes. L'électrode mobile est suspendue au-dessus de la première électrode par des ressorts Rl de raideur caractéristique k. Le phénomène de � pull in � met en évidence un maximum de tension qui peut être utilisé comme référence de tension. La tension de sortie du dispositif MEMS présente alors un comportement quadratique en fonction du courant alternatif et donc un maximum de tension (point de pull-in) pouvant être utilisé comme référence de tension alternative. Cependant, comme illustré sur la figure 2, l'approche basée sur les technologies MEMS pour la réalisation de références de tension alternative à partir du phénomène de pull-in dépend fortement de l'étendue du maximum de la tension de sortie en fonction du courant d'actionnement. La courbe de variation de la tension en fonction du courant présente en effet une décroissance brusque de part et d'autre d'un maximum de sorte que, selon la valeur du courant d'excitation, il n'est pas possible de garantir la précision de la référence de tension délivrée. En effet, en pratique, il est difficile de se situer exactement au point de fonctionnement qui correspond à la tension de pull-in. I1 est donc nécessaire d'obtenir un profil de courbe le plus plat possible autour du maximum de tension de sortie. Le but de l'invention est donc de disposer d'une référence de tension alternative qui remédie aux inconvénients précités et en particulier, dont la caractéristique tension/courant à partir de laquelle est définie la tension de référence est une droite horizontale. L'invention a donc pour objet un système micro-électromécanique (MEMS) comprenant au moins deux électrodes mobiles l'une par rapport à l'autre et actionnées par un courant alternatif. Les électrodes sont adaptées pour obtenir une variation quadratique de la capacité en fonction du déplacement relatif des électrodes. L'aptitude des électrodes à engendrer une variation parabolique de la capacité du système permet ainsi d'obtenir une tension de sortie du dispositif constante et indépendante du courant d'actionnement à partir d'un minimum d'intensité d'actionnement. Avantageusement la fréquence du courant alternatif est supérieure à la fréquence de résonance du système mécanique. La fréquence du courant alternatif n'a en effet pas besoin d'être très supérieure à la fréquence de résonance du système mécanique du MEMS pour minimiser l'influence des forces mécaniques sur le système. La stabilité est assurée même à des fréquences basses en respectant toutefois la condition sur le courant minimum. L'électrode mobile peut être suspendue au-dessus de l'électrode fixe par des ressorts de raideur caractéristique k. Dans un autre mode de réalisation, les électrodes ont une forme triangulaire. Ainsi, les électrodes présentent entre elles une surface en regard proportionnelle au carré de la distance de pénétration de l'électrode mobile. La variation de la capacité, si l'on néglige les effets de bord, a bien une forme quadratique. Avantageusement, les électrodes ont une forme de triangle rectangle. L'électrode mobile peut être munie de deux ressorts micro usinés de raideur caractéristique privilégiant, sous l'effet d'une force électrique, un déplacement dans le plan des électrodes. Chacun des ressorts peut être constitué d'une ou plusieurs lames flexibles permettant de limiter la flexion de l'électrode mobile dans la direction perpendiculaire due à la force électrique d'attraction. Les deux électrodes peuvent être mobiles et munies de ressorts identiques permettant ainsi un déplacement relatif insensible aux vibrations dans le plan des électrodes. Pour limiter les problèmes de flexion de l'électrode mobile dans l'axe perpendiculaire au déplacement, on peut envisager d'utiliser une troisième électrode fixe, placée au-dessus de l'électrode mobile de telle sorte que les forces électriques perpendiculaires se compensent. De plus, pour augmenter la capacité électrique du microsystème et avoir des références de tension de faibles valeurs, on pourra envisager un nombre d'électrodes empilées plus important. Dans un autre mode de réalisation, les électrodes, placées dans le même plan, ont une forme de peigne. Avantageusement, les peignes des électrodes comprennent des dents de longueurs inégales et parallèles au sens de déplacement de l'électrode mobile. Ainsi, l'inégalité des longueurs de dents qui s'engagent deux à deux les unes dans les autres, permet d'augmenter la capacité avec une pente croissante. En négligeant les effets de bord, on obtient une enveloppe triangulaire qui donne alors la loi de variation quadratique de la capacité du microsystème en fonction du déplacement. Comme dans le mode de réalisation précédent, si les deux électrodes sont mobiles et parfaitement symétriques, du moins par leur masse et la raideur de leur ressort, le dispositif devient insensible aux accélérations et aux vibrations dans l'axe du déplacement. Le guidage imposé par la forme des ressorts peut empêcher tout mouvement selon les axes autres que l'axe de déplacement. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1, dont il a déjà été fait mention, illustre un dispositif MEMS capacitif actionné par un courant alternatif selon l'état de la technique ; - la figure 2 est une courbe illustrant la tension de sortie du dispositif MEMS de la figure 1 en fonction du courant d'actionnement ; - la figure 3 illustre un dispositif MEMS capacitif selon l'invention ; - la figure 4 illustre la variation de la tension de sortie du dispositif MEMS de la figure 3 en fonction du courant alternatif d'actionnement ; - la figure 5 illustre un dispositif MEMS capacitif à électrodes triangulaires selon un mode de réalisation ; et 30 - la figure 6 illustre un dispositif MEMS capacitif à électrodes à peignes selon un mode de réalisation. En se référant tout d'abord à la figure 1, on va tout d'abord détailler un dispositif MEMS selon l'état de la technique. Une telle structure est formée de deux électrodes parallèles, dont l'une, à savoir l'électrode El, est fixe et dont l'autre, à savoir l'électrode E2, est mobile et suspendue au dessus de la première électrode El par un ressort R1 en silicium par exemple de raideur caractéristique k. Les deux électrodes sont séparées d'une distance d. L'électrode mobile E2 est mobile dans l'intervalle d perpendiculairement au plan P des deux électrodes. Avec un tel agencement, lorsque les électrodes sont excitées par un courant alternatif sinusoïdal d'amplitude Irms et de fréquence w, la force électrique est indépendante de la position x de l'électrode mobile E2 par rapport à l'électrode fixe. Comme représenté sur la figure 2, l'amplitude de la tension alternative Vrms aux bornes des électrodes présente en fonction du courant Irms un maximum qui peut être utilisé comme référence de tension alternative. Ce maximum est appelé tension de pull-in. Ce phénomène de pull-in ou d'avalanche correspond à la mise en contact brutal des deux électrodes Comme indiqué précédemment, ce type d'architecture présente des inconvénients majeurs, notamment en termes de précision de la référence de tension. La figure 3 illustre la structure d'un système MEMS permettant d'assurer une variation quadratique de la capacité du système. Le système MEMS illustré sur cette figure comprend une électrode fixe E3 espacée initialement d'une électrode mobile E4 par une distance d. L'électrode mobile E4 est soutenue par un ressort R2 de raideur k. Le système est actionné par un courant alternatif d'amplitude Irms et de fréquence w. En raison de la position relative initiale des deux électrodes E3 et E4, la force électrique engendrée par la différence de potentiel entre les électrodes présente une composante F s'étendant parallèlement aux électrodes. Cette force électrique longitudinale provoque un déplacement de l'électrode mobile E4, en particulier lorsque l'on privilégie une raideur mécanique k beaucoup plus faible dans le sens longitudinal. Lorsque l'électrode mobile E4 se déplace d'une distance x sous l'action de la force électrique selon la flèche horizontale F, la surface totale des électrodes en regard augment de sorte que la capacité totale du système varie. En choisissant des électrodes de forme appropriée, il est ainsi possible d'obtenir une variation quadratique de la valeur de la capacité en fonction du courant d'excitation. Grâce à cette variation de la capacité globale du système, il est ainsi possible d'obtenir une tension de sortie Vrms, c'est-à-dire une tension de référence, qui présente un � plateau � pour une valeur seuil Imin du courant Irms et qui dès lors devient stable à partir d'une valeur minimale de ce courant d'excitation. Comme le montre la figure 4, qui illustre l'évolution de la tension de sortie du MEMS Vrms en fonction du courant d'actionnement Irms, on constate que prévoyant des électrodes mobiles l'une par rapport à l'autre dans le plan des électrodes, il est possible d'obtenir une tension de sortie constante au-delà d'un seuil de courant minimum Imin. La zone équivalente au point de pull-in n'est alors plus un point mais un � plateau � permettant ainsi de définir une référence de tension alternative idéale. La variation quadratique de la capacité du système dépend du sens de déplacement de l'électrode mobile mais aussi de la forme des surfaces en regard des deux électrodes. On a représenté sur les figures 5 et 6 un premier exemple de réalisation d'un dispositif MEMS permettant d'obtenir une référence de tension sensiblement constante sur une large plage de valeur de courant. La figure 5 illustre un schéma de réalisation d'un système à électrodes sous forme triangulaire. Dans ce mode de réalisation, le dispositif comprend une électrode triangulaire fixe E5 et une électrode triangulaire mobile E6. L'électrode mobile E6 est munie d'un premier et d'un deuxième ressort R3 et R4 de raideur caractéristique identique k privilégiant sous l'effet d'une force électrique un déplacement dans le sens des électrodes. Chaque ressort comprend par exemple deux lames L1 et L2. Ces lames s'étendent dans un plan perpendiculaire à celui des électrodes de manière à privilégier un déplacement de ces dernières dans le plan. Comme on le voit sur cette figure, les deux électrodes sont disposées en tête bêche. En d'autres termes, les sommets des triangles sont tournés l'un vers l'autre. Elles sont en outre disposées l'une au- dessus de l'autre de sorte que les extrémités triangulaires des électrodes soient parallèles. Ainsi, à partir de cet agencement qui correspond à une première valeur de capacité, lorsque l'électrode mobile E6 se déplace d'une distance x dans l'espace entre électrodes d, elle crée avec l'électrode E5 la surface S1 en regard des deux électrodes (en pointillés sur la figure) croit et provoque une augmentation consécutive de la valeur de capacité. Cette surface S1 est proportionnelle au carré de la distance de pénétration x de l'électrode mobile E6. Ceci engendre alors une variation de la capacité du système. Si l'on néglige les effets de bord, la capacité du système obtenue est proportionnelle au carré de la distance de pénétration. La variation quadratique de la capacité est assurée. La figure 6 illustre un schéma de réalisation d'un système à électrodes sous forme de peignes. Ce système comprend ici deux électrodes E7 et E8 en forme de peignes comprenant chacune un barreau principal B à partir duquel s'étendent un ensemble de dents D, ici au nombre de dix. Les électrodes sont orientées de sorte que les dents d'une électrode s'intercalent entre deux dents de l'autre électrode et forment de la sorte entre elles des capacités individuelles. Les dents sont ici de longueurs inégales. Leur longueur est en effet régulièrement décroissante de l'une des extrémités de l'électrode à l'autre, de sorte que en fonction de l'enfoncement des électrodes l'une par rapport à l'autre on augmente de manière quadratique la surface totale des électrodes en regard. Le système est alimenté par un courant d'actionnement Irms. De même que pour la figure 5, l'électrode mobile E8 est munie d'un premier et d'un deuxième ressort R5 et R6. Les ressorts sont également des ressorts à lames qui s'étendent perpendiculairement au plan des électrodes de manière à privilégier le déplacement de ces dernières dans le plan. Chaque ressort comprend par exemple deux lames L3 et L4. Les longueurs inégales font qu'en s'engageant les unes dans les autres chacune leur tour, la capacité croît avec une dérivé seconde positive. En négligeant les effets de bord, c'est encore une enveloppe triangulaire qui donne la loi de variation quadratique de la capacité en fonction du déplacement de l'électrode mobile E8. Ces systèmes peuvent être utilisés comme des étalons secondaires très stables de tension alternative où les valeurs de référence sont déterminées par les dimensions et les caractéristiques mécaniques du MEMS. De plus, grâce à la capacité d'intégration de ces microsystèmes, ces derniers peuvent être directement implantés dans des composants électroniques, par exemple dans des convertisseurs numériques/analogiques ou analogiques/numériques. Ils peuvent également être intégrés à des instruments de mesure comme les multimètres et les calibrateurs ou dans tout autre système électronique intégrant une référence de tension électrique alternative. REVENDICATIONS1. Système micro-électro-mécanique (MEMS) comprenant au moins deux électrodes (E3 ; E4) mobiles l'une par rapport à l'autre et actionnées par un courant alternatif (Irms), caractérisé en ce les électrodes sont adaptées pour obtenir une variation quadratique de la capacité entre les électrodes en fonction du déplacement relatif (x) des électrodes. 2. Système micro-électro-mécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence du courant alternatif est supérieure, à la fréquence de résonance du système mécanique. 3. Système micro-électro-mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'électrode mobile E4 est suspendue au-dessus de l'électrode fixe (E3) par des ressorts de raideur caractéristique k. 4. Système micro-électro-mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les électrodes (E5 ; E6) ont une forme triangulaire. 5. Système micro-électro-mécanique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les électrodes ont une forme de triangle rectangle. 6. Système micro-électro-mécanique selon l'une quelconques des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'électrode mobile est munie de deux ressorts micro usinés (R3 ; R4) de raideur caractéristique privilégiant un déplacement dans le plan des électrodes. 7. Système micro-électro-mécanique selon la revendication 6, caractérisé en ce que chacun des ressorts peut-être constitué d'une ou de plusieurs lames (L1 ;L2) flexibles. 8. Système micro-électro-mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les électrodes (E7 ; E8) ont une forme de peigne. 9. Système micro-électro-mécanique selon la revendication 8, dans lequel les peignes des électrodes comprennent des dents (D) delongueurs inégales et parallèles au sens de déplacement de l'électrode mobile (E8). 10. Système micro-électro-mécanique selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que les électrodes (E7 ; E8) sont disposées dans le même plan. 11. Dispositif de mesure doté d'un système micro-électromécanique capacitif comprenant d'au moins deux électrodes, mobiles l'une par rapport à l'autre et actionnées par un courant alternatif (Irms), caractérisé en ce les électrodes sont adaptées pour obtenir une variation quadratique de la capacité entre les électrodes en fonction du déplacement relatif des électrodes.