Brevet FR3055047A1 — publié le 20180216

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un coeur de capteur micromécanique pour un capteur inertiel. L'invention se rapporte également à un procédé de fabri- cation d'un tel coeur de capteur micromécanique pour un capteur iner- tiel. Etat de la technique La liberté de mouvement des capteurs inertiels micromé- caniques sous la forme de capteurs d'accélération est limitée par des éléments de butée. Une fonction des éléments de butée consiste surtout à minimiser l'énergie de la masse mobile du capteur inertiel cinétique exercée sur le capteur inertiel lorsque, sous l'effet d'une forte accélération, elle touche les électrodes fixes du capteur inertiel, pour minimiser les dommages des électrodes fixes. Le document DE 10 2013 222 747 A 1 décrit un capteur micromécanique Z qui permet de mieux répartir à l'aide de deux installations de réception, séparées dans l'espace, pour chaque bras pivotant, l'énergie de butée du bras du capteur Z micromécanique et de fournir ainsi une protection plus efficace du bras contre la rupture. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un coeur de capteur micromécanique perfectionné pour un capteur inertiel. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un coeur de capteur micromécanique pour un capteur inertiel ayant : une masse sismique mobile, un nombre défini d'éléments d'ancrage pour fixer la masse sismique à un substrat, un nombre défini d'installations de butée fixées au substrat pour servir de butée à la masse sismique, l'installation de butée ayant un premier élément de butée élastique, un second élément de butée élastique et un élément de butée fixe, les éléments de butée étant réalisés pour que la masse sismique bute successivement contre le premier élément de butée élastique, le second élément de butée élastique et l'élément de butée fixe. Dans ces conditions, en cas d'action excessive de la force, on évite l'effet d'accrochage entre la masse sismique et les éléments de 3055047 2 butée grâce à la force de rappel des éléments de butées élastiques, ce qui fait que, finalement, la masse sismique revient dans sa position d'origine prédéfinie. Le second élément de butée élastique optimise l'ensemble de l'effet de la force développée par les deux éléments de bu- 5 tée élastique. Le premier élément de butée élastique sera aidé de ma- nière importante et avantageuse, par le second élément de butée élastique. On a ainsi une structure de butées en cascade pour les coeurs de capteurs micromécaniques d'un capteur inertiel qui réduisent 10 avantageusement l'effet de collage. La robustesse du capteur inertiel micromécanique en cas de surcharge est meilleure. Selon un développement, l'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'un coeur de capteur micromécanique pour un capteur inertiel consistant à utiliser un substrat, utiliser une 15 masse sismique mobile, accrocher la masse sismique au substrat à l'aide d'éléments d'ancrage, utiliser un nombre défini d'installations de butée pour fixer la masse sismique, réaliser un premier élément de butée élastique, un second élément de butée élastique et un élément de butée fixe sur chaque installation de butée, les éléments de butée étant 20 réalisés pour qu'en cas de choc, la masse sismique arrive d'abord contre le premier élément de butée élastique, puis contre le second élément de butée élastique et ensuite contre l'élément de butée fixe. Selon un développement avantageux du coeur de capteur micromécanique, la rigidité du second élément de butée élastique est, 25 par définition, supérieure à la rigidité du premier élément de butée élas- tique de sorte que l'on a un comportement des butées en cascade des deux éléments de butées élastiques. Selon un autre développement avantageux du coeur de capteur micromécanique, pour chaque installation de butée, on a 30 chaque fois deux premiers éléments de butées élastiques, deux seconds éléments de butées élastiques et deux éléments de butées fixes, symétriques par rapport à la masse sismique. On a ainsi une meilleure répartition de l'effet de la force sur les éléments de butée. Selon un autre développement avantageux du coeur de 35 capteur micromécanique, il a deux installations de butée, symétriques 3055047 3 par rapport à la masse sismique. Cette disposition symétrique des installations de butée par rapport à la masse sismique fait que la caractéristique de fonctionnement du capteur inertiel avec les coeurs de capteurs micromécaniques tels que définis sera aussi régulière que pos- 5 Bible. Dessins La présente invention sera décrite ci-après, de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de coeur de capteur micromécanique représenté dans les dessins annexés dans lesquels : 10 - la figure 1 est une vue de dessus d'un coeur de capteur micromé- canique connu pour un capteur inertiel, la figure 2 est une vue de dessus coupée de la figure 1, la figure 3 est une vue de détail d'un mode de réalisation d'un coeur de capteur micromécanique selon l'invention, 15 la figure 4 est une vue de dessus d'un mode de réalisation du coeur de capteur micromécanique selon l'invention, la figure 5 montre un schéma de principe d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un coeur de capteur micromécanique pour un capteur inertiel et, 20 la figure 6 est un schéma par blocs d'un capteur inertiel avec un coeur de capteur micromécanique selon l'invention. Description de modes de réalisation Les éléments de butée et de capteurs inertiels micromé- caniques peuvent être réalisés sous la forme de structures fixes ou élas- 25 tiques. Les éléments de butée élastique ont notamment les deux fonctions suivantes : participent par leur déformation à l'absorption de l'énergie critique, décrocher le capteur inertiel micromécanique de son état collé ou accroché par leurs forces de rappel. 30 Une difficulté de la conception des éléments de butée élastiques évoqués ci-dessus est leur dimensionnement correct. Un élément de butée trop souple ne permet pas de remplir sa fonction car il ne pourra pratiquement pas absorber d'énergie mécanique et il ne dispose que d'une faible force de rappel. Un éléments de butée trop dur 3055047 4 fonctionne comme un élément de butée fixe et ne permet pas de répondre à sa fonction. La figure 1 est une vue de dessus d'un coeur de capteur micromécanique 100, connu, pour un capteur micromécanique inertiel 5 dans un plan qui saisit les accélérations dans le plan xy. Le coeur de capteur 100 est un système ressort-masse avec une masse sismique 10 perforée, mobile et des éléments d'ancrage 14 qui réalisent la liaison entre la masse sismique 10 et le substrat "terre ferme" situé en dessous. La masse sismique 10 est montée mobile par des éléments de ressort 10 11. En outre les électrodes 12, 13 réalisées sur la masse sismique coo- pèrent avec des contre-électrodes fixes (non représentées) et saisissent de cette manière les accélérations de la masse sismique 10 dans la direction x du plan xy. Il apparaît que quatre éléments d'ancrage 14 sont accro- is chés au substrat de manière symétrique et centrale par rapport à la masse sismique 10. Le but est surtout de ne pas saisir une éventuelle torsion du substrat situé sous la masse sismique 10 par le capteur inertiel. Or grâce à la disposition centrale des quatre éléments d'ancrage 14 une torsion du substrat ne se répercute pratiquement pas dans une 20 zone du substrat dans la région des éléments d'ancrage 14. La figure 2 montre un extrait à échelle agrandie d'un coeur de capteur micromécanique 100 de la figure 1. On remarque un premier élément de butée élastique 21 de l'installation de butée 20 ainsi qu'une poutre allongée qui réalise la structure de ressort élastique ou 25 flexible du premier élément de butées 21. L'extrémité de la poutre a une zone de tête de diamètre agrandi par rapport à la poutre et servant de butée contre la masse sismique 10. Pour cela on a dimensionné de manière approprié la distance entre la zone de tête et la masse sismique 10. 30 Un élément de butées 22, fixe est également réalisé sur l'installation de butée 20. L'éléments de butée fixes 22 est en forme de bosse et constitue de cette manière un élément de butées rigide qui est écarté de manière définie de la masse sismique mobile 10. On a ainsi globalement deux types d'éléments de butée, à 35 savoir le premier élément de butée élastique 21 dont la fonction est de 3055047 5 limiter le mouvement de la masse sismique 10 en cas de surcharge mécanique. Le premier élément de butée élastique 21 est flexible et en cas de surcharge mécanique du capteur inertiel (par exemple en cas de choc d'un terminal mobile arrivant sur le sol) il est touché d'abord par 5 la masse sismique 10 ; il amortit celle-ci de manière élastique et limite son mouvement. En cas de surcharge plus importante, la poutre du premier élément de butées élastiques 21 fléchit, ce qui bloque la masse sismique 10 dans la poursuite de son mouvement, par l'élément de butées fixe 22. Cela est possible du fait que l'intervalle entre la masse sis- 10 mique 10 et les éléments de butées 21, 22 sont différentes ; la distance entre le premier élément de butée élastique 20 et la masse sismique 10 est définie pour être plus faible que la distance entre l'élément de butée fixe 22 et la masse sismique 10. Globalement il faut quatre premiers éléments de butée 21 15 élastiques pour neutraliser les forces de collage générées dans le plan atomique au contact de la masse sismique 10 avec les éléments de butée 21, 22 ; ces forces de collage peuvent coller la masse sismique 10 aux éléments de butée 21, 22. Les premiers éléments de butée élastique 21 permettent de réduire cet effet en ce qu'en cas de déflexion des pre- 20 miers éléments de butées élastiques 21, la force élastique ainsi générée rappelle la masse sismique 10 dans sa position d'origine. Il est proposé un perfectionnement à la structure classique représentée aux figures 1 et 2. La figure 3 montre une vue de dessus d'une partie d'un 25 mode de réalisation d'un coeur de capteur micromécanique 100 selon l'invention. Entre le premier élément de butée élastique 21 et l'élément de butée fixe 22 il y a, dans ce cas, un second élément de butée élastique 23 qui répartit l'énergie de chocs mécaniques en cas de butée par la masse sismique 10. Le second élément de butée élastique 23 est éga- 30 lement réalisé sur l'installation de butée 20 et comporte aussi une poutre mais qui, par comparaison avec celle de l'élément de butée élastique 21 et définie et significativement plus courte. En outre, le second élément de butée 23, élastique a une sorte de structure de marteau à l'extrémité de sa tête qui, en cas de choc, frappe contre la masse sis- 35 mique 10. 3055047 6 Fonctionnellement il est prévu que la masse sismique 10, en cas de surcharge mécanique, arrive tout d'abord contre le premier élément de butée élastique 21 puis contre le second élément de butée élastique 23 et finalement contre l'élément de butée fixe 22. Grâce à la 5 force de ressort ainsi activée par les deux éléments de butée 21, 23, la masse sismique 10 est libérée plus efficacement qu'avec la structure classique à partir de sa position de collage pour être ramenée dans sa position de repos non définie. Pour cela, la distance entre le premier élément de butée 10 élastique 21 et la masse sismique 10 est maintenue plus faible que la distance entre le second élément de butée élastique 23 et la masse sismique 10. De plus, la distance du second élément de butée élastique 23 par rapport à la masse sismique 10 est inférieure à la distance entre l'élément de butée fixe 22 et la masse sismique 10. 15 En conséquence, on a ainsi des venues en butée séquen- tielles, en cascade, entre la masse sismique 10 et les éléments de butée 21, 23 et 22. En outre, la longueur des poutres des éléments de butées élastiques 21, 23 est dimensionnée de manière appropriée. 20 La somme des forces de ressort développées par l'élément de butée élastique 21, 23 est supérieure à la force de collage entre la masse sismique 10 et les éléments de butée 21, 22, 23, ce qui produit le décrochage décrit. Le résultat est que l'invention développe une structure de 25 ressort qui permet la venue en butée en cascade de la masse sismique 10 contre l'installation de butée 20. De façon avantageuse, la rigidité de l'élément de butée élastique augmente de manière dynamique à partir de l'instant auquel la masse sismique 10 vient en contact avec le premier élément de butée élastique 21. 30 La figure 4 est une vue de dessus d'un coeur de secteur 100 tel que proposé, représenté complètement. Les seconds éléments de butée élastiques 23 comme les premiers éléments de butée élastiques 21 sont symétriques globalement dans les deux directions de butée 20, dans quatre zones de bord du coeur de capteur micromécanique 100. 35 On réalise ainsi la symétrie des installations de butée 20 et des élé- 3055047 7 ments de butée 21, 22, 23 par rapport à la masse sismique 10 qui répartit efficacement les efforts entre les éléments de butées élastiques 21, 23. On favorise ainsi avantageusement un comportement de 5 fonctionnement symétrique et une meilleure sécurité de fonctionnement du capteur inertiel micromécanique. De manière avantageuse, le coeur de capteur microméca- nique, tel que proposé, pour chaque capteur inertiel dans un plan, peut servir à saisir des accélérations dans le plan. 10 Le choc d'un appareil équipé d'un coeur de capteur mi- cromécanique tel que décrit ci-dessus (par exemple un téléphone mobile) n'entraîne avantageusement aucune conséquence négative sur le capteur inertiel. La figure 5 montre le déroulement de principe d'un mode 15 de réalisation d'un capteur inertiel micromécanique selon l'invention. Dans l'étape 300 on réalise un substrat. Dans l'étape 310 on prévoit une masse sismique mobile. Dans l'étape 320 on accroche la masse sismique 10 au substrat à l'aide d'éléments d'ancrage 14. 20 Dans l'étape 330 on utilise un nombre défini d'installations de bu- tée 20 pour servir de butées à la masse sismique 10. Dans l'étape 340 on réalise un premier élément de butée élastique 21, un second élément de butée élastique 23 et un élément de butée fixe 22 pour chacune des installations de butée 20 ; les élé- 25 ments de butée 21, 23, 22 sont réalisés pour qu'en cas de collision, la masse sismique 10 rencontre d'abord le premier élément de butée élastique 21 puis le second élément de butée élastique 23 et ensuite l'élément de butée fixe 22. L'ordre des étapes 300 et 310 est quelconque. 30 La figure 6 est un schéma par blocs d'un capteur inertiel 200 équipé de coeurs de capteurs 100, micromécaniques comme ceux définis ci-dessus. En résumé, la présente invention permet d'avoir des coeurs de capteurs micromécaniques meilleurs pour un capteur inertiel 35 qui réalise un comportement de venue en butée en cascade de la masse 3055047 8 sismique contre les éléments de butée et optimise ainsi par la force de rappel, les éléments de butée élastique sur la masse sismique. Bien que l'invention soit décrite ci-dessus par un exemple de réalisation pratique, elle n'est nullement limitée à cet exemple. De 5 nombreuses variantes sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. 3055047 9 NOMENCLATURE 100 Coeur de capteur 10 Masse 5 14 Elément d'ancrage 12, 13 Electrodes 21 Premier élément de butée élastique 20 Installation de butée 22 Elément de butée fixe 10 21 Premier élément de butée élastique 10 Masse sismique 22 Elément de butée fixe 300-340 Etapes d'un procédé de fabrication du capteur inertiel micromécanique selon l'invention 15 20 25 30 REVENDICATIONS1°) Coeur de capteur micromécanique (100) pour un capteur inertiel (200) ayant : - une masse sismique mobile (10), un nombre défini d'éléments d'ancrage (14) pour fixer la masse sis- mique (10) à un substrat, un nombre défini d'installations de butée (20) fixées au substrat pour servir de butée à la masse sismique (10), l'installation de butée (20) ayant un premier élément de butée élas- tique (21), un second élément de butée élastique (23) et un élément de butée fixe (22), les éléments de butée (21, 22, 23) étant réalisés pour que la masse sismique (10) bute successivement contre le premier élément de butée élastique, puis le second élément de butée élastique (23) et enfin l'élément de butée fixe (22). 2°) Coeur de capteur micromécanique (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rigidité du second élément de butée élastique (23) est supérieure à celle du premier élément de butée (21) élastique. 3°) Coeur de capteur micromécanique (100) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'installation de butée (20) comporte respectivement deux premiers élé- ments de butée élastiques (21), deux seconds éléments de butée élastiques (23) et deux éléments de butée fixes (22), symétriques par rapport à la masse sismique (10). 4°) Coeur de capteur micromécanique (100) selon la revendication 3, caractérisé par deux installations de butée (20) réalisées symétriquement par rapport à la masse sismique (10). 3055047 11 5°) Capteur inertiel (200) comportant un coeur de capteur micromécanique (100) selon l'une des revendications précédentes 1 à 4. 6°) Procédé de réalisation d'un coeur de capteur micromécanique pour 5 un capteur inertiel (100) consistant à : utiliser un substrat, utiliser une masse sismique mobile (10), accrocher la masse sismique (10) au substrat à l'aide d'éléments d'ancrage (14), 10 utiliser un nombre défini d'installations de butée (20) pour fixer la masse sismique (10), réaliser un premier élément de butée élastique (21), un second élément de butée élastique (23) et un élément de butée fixe (22) sur chaque installation de butée (20), les éléments de butée (21, 23, 22) 15 étant réalisés pour qu'en cas de choc, la masse sismique (10) arrive d'abord contre le premier élément de butée élastique (21), puis contre le second élément de butée élastique (23) et ensuite contre l'élément de butée fixe (22). 20 7°) Application d'un coeur de capteur micromécanique (100) selon l'une des revendications 1 à 4 à un capteur inertiel dans le plan.