Brevet FR2953935A1 — publié le 20110617

ACCELEROMETRE La présente invention concerne un accéléromètre. Il est connu de réaliser un accéléromètre sous forme d'un MEMS, pour «MicroElectroMechanical System» en anglais, c'est-à-dire en utilisant les technologies et les outils de fabrication de circuits électroniques intégrés. Un accéléromètre qui est ainsi fabriqué fournit des mesures d'accélération qui peuvent être précises ou très précises. Il est aussi particulièrement économique, notamment parce que le circuit électronique de traitement du signal de mesure peut être intégré ou combiné avec une partie mécanique de l'accéléromètre qui constitue l'élément sensible à l'accélération. 1 o Conformément à la figure 1, cette partie mécanique d'un accéléromètre comprend en général une portion de base 1 et une portion inertielle 2 qui sont reliées entre elles par au moins une charnière 3, par exemple deux charnières 3, et un lien 4. La portion inertielle 2 est aussi appelée portion sismique dans le jargon de l'Homme du métier. Le ou les charnière(s) 3 et le lien 4 sont disposés 15 de sorte qu'une flexion de la ou des charnière(s) 3 provoque une rotation de la portion inertielle 2 par rapport à la portion de base 1, et une variation simultanée d'une tension du lien 4. Pour cela, le lien 4 est décalé par rapport à un axe de la rotation des portions 1 et 2 l'une par rapport à l'autre. Chaque charnière 3 est formée par une languette flexible qui est limitée 20 transversalement par deux bords de languette longitudinaux et opposés, référencés 34 et 35. Ces bords 34 et 35 s'étendent chacun entre la portion de base 1 et la portion inertielle 2, et sont distants l'un de l'autre conformément à une largeur de languette qui est mesurée parallèlement à l'axe de rotation. Sur la figure 1, D est une direction parallèle à l'axe de la rotation de la portion 25 inertielle 2 par rapport à la portion de base 1, et L est une direction longitudinale de la languette. Le lien 4 s'étend entre les portions 1 et 2, et est en général sensiblement parallèle à la direction longitudinale L dans la situation de repos de l'accéléromètre. Il peut avoir une section quelconque, par exemple carrée, -2- rectangulaire ou en forme de T, dans un plan perpendiculaire à la direction L. De façon connue, la fréquence d'un mode propre de vibration transversale du lien 4 dépend de sa tension, cette tension variant elle-même en fonction d'une différence d'accélération entre la portion inertielle 2 et la portion de base 1, parallèlement à une direction d'accélération A. La direction d'accélération A est perpendiculaire aux directions L et D. La valeur de l'accélération est déduite d'une mesure de la fréquence du mode propre du lien 4. Le principe d'une telle mesure de fréquence est connu de l'Homme du métier, si bien qu'il n'est pas décrit à nouveau ici. Dans un accéléromètre qui est réalisé sous forme de MEMS, le lien 4 est une poutre dont la longueur 13 peut être 2000 pm (micromètre) par exemple, mesurée parallèlement à la direction L. Sa section est constante dans des plans qui sont perpendiculaires à la direction D, et décalés progressivement selon cette direction entre les deux extrémités de la poutre qui sont connectées respectivement aux portions 1 et 2. Des dimensions de la section de la poutre peuvent être 60 pm pour sa largeur di mesurée parallèlement à la direction D, et 30 pm pour son épaisseur selon la direction A. Or le lien 4, par sa forme allongée et sa faible capacité thermique, est très sensible aux variations d'un rayonnement thermique présent dans son environnement. En particulier, une augmentation du flux d'un rayonnement qui est absorbé par le lien 4 provoque un allongement de celui-ci, plus rapidement qu'un allongement de chaque languette de charnière 3 est lui-même produit par la même augmentation du flux radiatif. A cause de la raideur en flexion de chaque languette de charnière 3, l'augmentation du flux radiatif produit une variation de la tension du lien 4, qui ne correspond pas à une accélération. Il en résulte une erreur dans la valeur d'accélération qui est mesurée au même instant. Dans ces conditions, un premier but de l'invention est de réduire l'erreur qui est causée par des variations de flux radiatif, notamment des variations de rayonnement thermique, sur les résultats de mesures d'accélération qui sont effectuées avec un accéléromètre tel que décrit précédemment. 2953935 -3- Un second but de l'invention consiste à réduire la raideur en flexion de chaque charnière de l'accéléromètre, de sorte qu'un allongement thermique du lien ne provoque qu'une variation réduite de la tension de ce lien. Pour atteindre ces buts, la présente invention propose de modifier 5 l'accéléromètre décrit ci-dessus de la façon suivante : la largeur de la languette de chaque charnière est variable, de sorte que cette languette comporte un segment central qui est intermédiaire entre deux segments d'extrémités. La largeur de la languette est minimale dans le segment central et augmente à partir de ce segment central en direction de la portion de base ou de la portion 10 inertielle, respectivement dans chaque segment d'extrémité. En outre, chaque segment d'extrémité possède une longueur qui est supérieure à 20% de la longueur totale de la languette, ces longueurs étant mesurées selon la direction longitudinale de la languette. De plus, la largeur minimale de la languette de charnière dans le segment central de celle-ci peut 15 être comprise entre 20% et 70% de la largeur maximale de cette même languette dans ses segments d'extrémités. Ainsi, selon l'invention, la largeur de chaque languette de charnière est diminuée dans une partie centrale de celle-ci. Sa raideur en flexion est réduite en conséquence. Par suite, les variations de la tension du lien qui sont 20 provoquées par des variations d'un flux radiatif absorbé par ce lien, sont elles-mêmes réduites. Les erreurs qui en résultent sur les résultats des mesures d'accélération sont ainsi diminuées. L'invention est particulièrement avantageuse lorsque la portion de base, la portion inertielle, chaque languette de charnière et le lien sont 25 constitués par une partie d'un MEMS. Dans des configurations préférées de l'invention, la languette possède une largeur qui est constante dans le segment central, et qui croît de façon monotone dans chaque segment d'extrémité, à partir du segment central en direction de la portion de base ou de la portion inertielle, respectivement. 30 Les variations de la largeur de la languette de charnière qui sont introduites volontairement par l'invention, sont différentes de variations involontaires de cette largeur qui peuvent résulter de défauts de fabrication de 2953935 -4- l'accéléromètre. En particulier, pour une réalisation en MEMS, chaque languette de charnière peut être une partie d'une même portion de matériau unique et continue, qui comprend aussi la portion de base et la portion inertielle. Dans ce cas, des chanfreins peuvent exister involontairement au 5 niveau de chaque raccordement de la languette avec la portion de base ou la portion inertielle. De tels chanfreins peuvent résulter notamment des procédés qui sont mis en oeuvre pour former la languette de charnière et les deux portions. Ils sont donc distincts des variations de largeur de la languette qui sont l'objet de l'invention. En particulier, les variations de la largeur de la ~o languette qui correspondent à des chanfreins involontaires s'étendent sur moins de 20% de la longueur totale de la languette. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'un exemple de réalisation non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : 15 - la figure 1 est une vue en perspective d'un accéléromètre connu avant la présente invention ; - la figure 2 est une vue en perspective d'une partie d'un accéléromètre conforme à la présente invention ; - la figure 3 est un diagramme qui indique des proportions d'une languette 20 de charnière d'un accéléromètre conforme à la figure 2 ; et - la figure 4 est un diagramme qui indique un domaine de proportions préférées pour une languette de charnière d'un accéléromètre conforme à la figure 2. Pour raison de clarté, les dimensions des éléments qui sont 25 représentés dans ces figures ne correspondent ni à des dimensions réelles ni à des rapports de dimensions réels. En outre, des références identiques qui sont indiquées dans des figures différentes désignent des éléments identiques ou qui ont des fonctions identiques. La figure 1 a déjà été décrite en détail. 30 L'invention consiste en une modification d'une partie d'un accéléromètre conforme à la figure 1, si bien que les éléments qui sont repris 2953935 -5- sans modification ne sont pas décrits à nouveau. On pourra se reporter si nécessaire aux accéléromètres qui existent avant la présente invention, pour compléter la description qui suit à propos de ces éléments non-modifiés. Selon l'invention, chacune des charnières 3 est modifiée conformément 5 à la figure 2. Chaque charnière 3 est encore constituée par une languette flexible qui relie la portion inertielle 2 à la portion de base 1 parallèlement à la direction longitudinale L. Mais cette languette possède maintenant une largeur qui est variable, lorsque cette largeur est mesurée parallèlement à la direction D à des endroits qui sont décalés progressivement selon la direction L. Ainsi, la 10 languette de chaque charnière 3 comporte un segment central 30 dans lequel la largeur de languette est réduite, et deux segments d'extrémités 31 et 32 qui sont disposés de part et d'autre du segment central 30 selon la direction L. Le segment d'extrémité 31 est intermédiaire entre le segment central 30 et la portion de base 1, et le segment d'extrémité 32 est intermédiaire entre le 15 segment central 30 et la portion inertielle 2. Pour chaque segment d'extrémité 31, respectivement 32, la largeur de la languette augmente à partir du segment central 30 en direction de la portion de base 1, respectivement de la portion inertielle 2. La largeur de la languette de charnière peut être constante dans le 20 segment central 30, égale à do. Par exemple, cette largeur do peut être de 75 pm, alors que la largeur d1 de la languette à chaque extrémité, c'est-à-dire au niveau de ses raccordements avec la portion de base 1 et la portion inertielle 2, peut être de 150 pm, la longueur totale 13 de la languette étant encore égale à 500 pm. 25 Chaque segment d'extrémité 31, 32 possède une longueur respective 131 ou 132, mesurée selon la direction L, qui est supérieure à 20% de la longueur totale 13 de la languette, mesurée entre la portion de base 1 et la portion inertielle 2. De préférence, chaque longueur 131 ou 132 peut être supérieure à 30% de la longueur 13. 30 Avantageusement, les bords de languette longitudinaux 34 et 35 peuvent être rectilignes dans le segment central 30 et dans chaque segment d'extrémité 31 et 32. La réalisation de la charnière 3 est alors simplifiée. 2953935 -6- Lorsque les bords longitudinaux 34 et 35 sont parallèles à la direction L dans le segment central 30, et symétriques par rapport à un plan qui est parallèle aux directions D et A et qui passe par un point central O de la languette, celle-ci possède un profil en noeud-papillon. 5 La figure 3 est un diagramme des bords longitudinaux 34 et 35 en projection dans le plan parallèle aux directions L et D qui contient le point central O. I est une cote longitudinale qui est mesurée parallèlement à la direction L à partir du point central O de la languette. I varie donc de -13/2 à 13/2 dans la charnière 3. d est une cote transversale des bords de languette 10 longitudinaux 34 et 35, qui est mesurée à partir du point central O parallèlement à la direction D, pour chaque valeur de la cote longitudinale I. Ce diagramme montre la valeur di/2 de la demi-largeur de la languette au niveau du raccordement avec la portion de base 1. Il montre aussi la valeur constante do/2 de la demi-largeur de la languette dans le segment central 30. En outre, 15 les deux bords 34 et 35 sont symétriques l'un de l'autre par rapport au plan qui passe par O et qui est parallèle aux directions L et A. Pour des modes préférés de réalisation de l'invention, les deux bords de languette longitudinaux 34 et 35 sont rectilignes et orientés vers le même point central O, dans les deux segments d'extrémités 31 et 32. Ils 20 correspondent donc aux équations d = f I x di/13 dans ces segments d'extrémités 31 et 32, dans le diagramme de la figure 3. Les inventeurs expliquent maintenant un avantage de la forme rectiligne des bords de languette longitudinaux 34 et 35, orientée en direction du point central O. Lorsque les deux segments d'extrémités 31 et 32 sont 25 rigidement connectés à la portion de base 1 et à la portion inertielle 2, respectivement, des contraintes d'encastrement sont présentes dans les segments 31 et 32 pendant une flexion de la languette. Pour une telle forme et une telle orientation des bords 34 et 35, ces contraintes d'encastrement ont une intensité uniforme à l'intérieur des segments 31 et 32. Il n'y a donc pas de 30 concentration de ces contraintes d'encastrement à un endroit particulier de la languette, à partir duquel une rupture de la languette pourrait s'initier. En outre, les limites longitudinales entre le segment central 30 et 2953935 -7- chaque segment d'extrémité 31, 32 sont situées à I = ± 0,25 x I3 dans le diagramme de la figure 3, à titre d'exemple. La longueur 130 du segment central 30 est alors 0,50 x 13, et la longueur 131, 132 de chaque segment d'extrémité 31, 32 est 0,25 x 13. L'homme du métier comprendra que la longueur du segment 5 central 30 peut être réduite au-delà de la valeur qui vient d'être indiquée, sous réserve que la largeur de la languette dans ce segment central reste suffisante pour éviter que la languette ne rompe. Les coordonnées I et d du diagramme de la figure 4 sont identiques à celles de la figure 3. 13 désigne encore la longueur totale de la languette de la 10 charnière 3 selon la direction L, entre la portion de base 1 et la portion inertielle 2. De même, di désigne encore la largeur de la languette au niveau de son raccordement avec la portion de base 1. Ce diagramme montre une zone hachurée dans laquelle les bords de languette longitudinaux 34 et 35 sont avantageusement contenus, en projection dans le plan qui contient le point 15 central O et qui est parallèle aux directions L et D. Cette zone hachurée, marquée Z, est comprise entre les premières limites d = I x d1/13 ù 3 x d1/8 et d = I x d1/13 + 3 x d,/8, qui sont notées respectivement L1 a et L1 b, ou entre les secondes limites d = -1 x d1/13 ù 3 x d1/8 et d =-I x d1/13 + 3 x d1/8, notées L2a et L2b. La cote longitudinale I est encore comprise entre -13/2 et 13/2, et la cote 20 transversale d des bords 34 et 35 est comprise entre -d1/2 et d1/2. Cette zone Z constitue un compromis particulièrement avantageux entre une flexibilité accrue et une résistance contre la rupture qui est suffisante pour chaque charnière 3. Un compromis encore plus avantageux correspond à la zone qui est 25 comprise entre les troisièmes limites d = I x d1/13 ù d1/4 et d = I x d1/13 + d1/4, notées L3a et L3b, ou entre les quatrièmes limites d = -1 x d1/13 ù d1/4 et d = -1 x d1/13 + d1/4, notées Loa et L4b, à l'intérieur de la zone Z. II est entendu que l'invention peut être mise en oeuvre en introduisant des adaptations par rapport aux modes de réalisation qui ont été décrits en 30 détail ci-dessus. En particulier, les dimensions et les proportions qui ont été citées peuvent être modifiées. De plus, l'accéléromètre peut comprendre un nombre quelconque de charnières, y compris une seule charnière. Enfin, 2953935 -8- l'invention n'est pas limitée à un accéléromètre qui est fabriqué sous forme d'un MEMS. REVENDICATIONS1. Accéléromètre comprenant une portion de base (1) et une portion inertielle (2) reliées entre elles par au moins une charnière (3) et un lien (4) disposés de sorte qu'une flexion de la charnière provoque une rotation de la portion inertielle par rapport à la portion de base et une variation simultanée d'une tension du lien, la charnière (3) étant formée par une languette flexible limitée transversalement par deux bords de languette longitudinaux (34, 35) et opposés, les dits bords de languette longitudinaux s'étendant chacun entre la portion de base (1) et la portion inertielle (2) et étant distants l'un de l'autre conformément à une largeur de languette (d) mesurée parallèlement à un axe (D) de la rotation de ladite portion inertielle par rapport à la portion de base, ledit accéléromètre étant caractérisé en ce que la largeur de languette (d) est variable de sorte que la languette comporte un segment central (30) intermédiaire entre deux segments d'extrémités (31, 32), avec la largeur de la languette qui est minimale dans le segment central et qui augmente à partir dudit segment central en direction de la portion de base (1) ou de la portion inertielle (2), respectivement dans lesdits segments d'extrémités, chaque segment d'extrémité (31, 32) ayant une longueur (131, 132) supérieure à 20% d'une longueur totale (13) de la languette, lesdites longueurs étant mesurées selon une direction longitudinale (L) de la languette, et la largeur minimale de la languette dans le segment central (30) de ladite languette est comprise entre 20% et 70% d'une largeur maximale de ladite languette dans les segments d'extrémités (31, 32). 2. Accéléromètre selon la revendication 1, dans lequel la languette possède une largeur constante (do) dans le segment central (30) de ladite languette, et croissante de façon monotone dans chaque segment d'extrémité (31, 32) de ladite languette, à partir dudit segment central en direction de la portion de base (1) ou de la portion inertielle (2), respectivement. 2953935 -10- 3. Accéléromètre selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la longueur de chaque segment d'extrémité (131, 132) est supérieure à 30% de la longueur totale (13) de la languette. 4. Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes, dans lequel les bords de languette longitudinaux (34, 35) sont rectilignes dans le segment central (30) et dans chaque segment d'extrémité (31, 32). 5. Accéléromètre selon la revendication 4, dans lequel les bords de languette longitudinaux (34, 35) sont orientés vers un même point central (0) 10 de ladite languette, dans les deux segments d'extrémités (31, 32). 6. Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les bords de languette longitudinaux (34, 35) sont situés à l'intérieur d'une zone (Z) comprise entre des premières limites d = I x d1/13 ù 3 x d1/8 et d = I x d1/13 + 3 x d1/8, ou entre des secondes limites 15 d = -1 x d1/13 ù 3 x d1/8 et d = -1 x d1/13 + 3 x d1/8, en projection dans un plan qui contient un point central (0) de la languette et qui est parallèle à la direction longitudinale (L) et à l'axe de rotation (D), avec : I étant une cote longitudinale mesurée à partir dudit point central (0) parallèlement à ladite direction longitudinale (L), 20 d étant une cote transversale des bords de languette longitudinaux (34, 35) mesurée à partir dudit point central (0) parallèlement audit axe de rotation (D), pour chaque valeur de la cote longitudinale I, 13 étant une longueur totale de la languette entre la portion de base (1) et la portion inertielle (2), la cote longitudinale I étant comprise entre -13/2 25 et 13/2, et d1 étant la valeur de largeur de la languette au niveau d'un raccordement de ladite languette avec la portion de base (1), la cote transversale d des bords de languette longitudinaux (34, 35) étant comprise entre -d1/2 et d1/2. 2953935 -11- 7. Accéléromètre selon la revendication 6, dans lequel les bords de languette longitudinaux (34, 35) sont situés en outre entre des troisièmes limites d = I x d,/l3 ù d,/4 et d = I x di/13 + di/4, ou entre des quatrièmes limites d = -1 x di/13 ù di/4 et d = -1 x d,/13 + di/4, en projection dans le plan qui contient 5 le point central (0) de la languette et qui est parallèle à la direction longitudinale (L) et à l'axe de rotation (D). 8. Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la portion de base (1), la portion inertielle (2), la languette de charnière (3) et le lien (4) sont constitués par une partie d'un MEMS.