Brevet FR3084167A1 — publié le 20200124

ACCELEROMETRE A DETECTION PAR JAUGE DE CONTRAINTES A PRECISION AMELIOREE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention se situe dans le domaine des accéléromètres, plus précisément des accéléromètres NEMS ou MEMS, c'est à dire réalisés par micro-usinage dans une plaque de matériau monolithique, tel du Silicium, selon des technologies de fabrication collective semblables à celles qui sont utilisées dans la fabrication des circuits intégrés électroniques. ETAT DE LA TECHNIQUE De tels accéléromètres ont des applications multiples, notamment dans les domaines où on cherche à obtenir à la fois un encombrement minimal et un faible coût de production. Un domaine d'application privilégié est le domaine de la navigation automobile ou aérienne, dans lesquels ces accéléromètres permettent de déterminer, par intégration des signaux qu'ils fournissent, une trajectoire. On attend d'un accéléromètre un certain nombre de caractéristiques, et principalement un faible encombrement, une bonne sensibilité à une accélération dans un axe bien identifié qu'on peut aussi appeler « axe sensible ", une sensibilité aussi faible que possible selon les autres axes, une bonne précision de mesure, une bonne résistance mécanique, ainsi qu'un faible coût. Les technologies de fabrication utilisées dans la microélectronique se prêtent particulièrement à l'obtention d'un faible coût de fabrication et le 25 coût est alors directement lié à la taille du composant micro-usiné. Selon l'application envisagée pour l'accéléromètre, on essayera d'optimiser les différentes caractéristiques ci-dessus et on fera les compromis nécessaires, par exemple un compromis entre une petite taille et une bonne sensibilité. 30 Un accéléromètre NEMS ou MEMS comprend en général une masse mobile (ou masse d'épreuve, "proof mass" en anglais), reliée au substrat dans laquelle elle a été usinée par une liaison élastique. La masse a pour fonction de transformer une accélération en force (ou en effort). 2 Plusieurs transductions du mouvement de la masse vers le domaine électrique sont possibles, les plus répandues étant la détection capacitive et la détection par jauge de contrainte. Dans ce dernier cas, au moins une jauge est fixée entre la masse 5 et le substrat, directement ou indirectement, et subit les efforts liés au déplacement de la masse sismique lors d'une accélération. Il peut s'agir d'une ou de plusieurs jauges de contrainte. Les efforts sont transmis à la jauge directement ou indirectement, par exemple via une amplification mécanique par bras de levier. 10 Avantageusement, bras de levier et masse ne peuvent faire qu'un si la masse est maintenue en rotation par une charnière. En d'autres termes, la masse peut avoir également la fonction d'amplification mécanique. Le bras de levier permet de transmettre la force de la masse à la jauge tout en ajoutant un gain entre la force récoltée par la masse et la force 15 appliquée à la jauge, afin d'accroitre la sensibilité. L'axe de l'accélération, ou « axe sensible » est soit dans le plan du substrat, soit en dehors du plan du substrat (c REVENDICATIONS1. Accéléromètre MEMS ou NEMS (1, 11) apte à mesurer une accélération selon un axe sensible (S) comprenant : - un substrat (2, 12) présentant un plan (XY) ; - une masse (3, 13) présentant une zone centrale et suspendue par rapport au substrat (2, 12) ; - un unique bras de levier (4, 14) formant structure d'amplification d'effort de la masse, comprenant : - une première extrémité (41, 141) reliée au substrat (2, 12) par l'intermédiaire d'une première liaison (5, 15) apte à autoriser la rotation du bras de levier autour d'un axe de rotation (R) perpendiculaire à l'axe sensible (S), et - une seconde extrémité (42, 142) reliée à la masse (3, 13) par l'intermédiaire d'une seconde liaison (6, 16) apte à transmettre le mouvement de translation de la masse (3, 13) au bras de levier (4, 14) tout en autorisant la rotation dudit bras de levier autour de l'axe de rotation (R) ; la seconde extrémité (42, 142) du bras de levier (4, 14) étant disposée au niveau de la zone centrale de la masse (3, 13) ; - au moins une jauge de contrainte (7, 7', 17, 17'), ladite jauge étant reliée au bras de levier (4), chaque jauge comprenant : - une première extrémité (71, 71', 171, 171') reliée au substrat (2, 12), et - une seconde extrémité (72, 72', 172, 172') reliée au bras de levier (4, 14). 2. Accéléromètre (1) selon la revendication 1, comprenant au moins deux jauges de contrainte (7, 7', 17, 17'). 33 3. Accéléromètre (1) selon la revendication 2, deux jauges de contrainte étant disposées de part et d'autre de la première extrémité (41, 141) du bras de levier (4, 14). 5 4. Accéléromètre (1, 11) selon l'une des revendications 1 à 3, la masse (3, 13) étant suspendue par rapport au substrat (2, 12) par au moins une troisième liaison (8, 18, 4, 14) apte à autoriser la translation de ladite masse selon l'axe sensible (S). 10 5. Accéléromètre (1, 11) selon la revendication 4, au moins une troisième liaison (8, 18) comprenant une lame souple (81, 81', 181) selon l'axe sensible (S). 15 6. Accéléromètre (1, 11) selon l'une des revendications 4 ou 5, comprenant plusieurs troisièmes liaisons (8, 18) réparties de manière équilibrée par rapport au centre de gravité (G) de la masse (3, 13). 20 7. Accéléromètre (1, 11) selon l'une des revendications 1 à 3, la masse (3, 13) étant suspendue par rapport au substrat (2, 12) uniquement par le bras de levier (4, 14). 8. Accéléromètre (1, 11) selon l'une des revendications 1 à 7, 25 la seconde extrémité (42, 142) du bras de levier (4, 14) étant disposée au niveau du centre de gravité (G) de la masse (3, 13). 9. Accéléromètre (1, 11) selon l'une des revendications 1 à 7, 30 la seconde extrémité (42, 142) du bras de levier (4, 14) étant décalée (ddec) par rapport au centre de gravité (G) de la masse (3, 13). 10.Accéléromètre (1) selon l'une des revendications 1 à 9, l'axe sensible (S) étant dans le plan (XY) du substrat (2). 34 11.Accéléromètre (1) selon la revendication 10, la première extrémité (41) du bras de levier (4) présentant une forme amincie selon l'axe sensible (S). 5 12.Accéléromètre (1) selon l'une des revendications 10 ou 1 1 , la première liaison (5) comprenant deux lames (51, 52) non parallèles, formant une charnière (53) apte à permettre la rotation du bras de levier (4) autour de l'axe de rotation (R) perpendiculaire à l'axe sensible (S). 10 13.Accéléromètre (1) selon la revendication 12, les deux lames (51, 52) étant perpendiculaires entre elles. 14.Accéléromètre (1) selon l'une des revendications 10 à 13, la 15 seconde liaison (6) comprenant une lame de couplage (61) rigide selon l'axe sensible (S), et souple selon l'axe de rotation (R) du bras de levier (4). 15.Accéléromètre (1) selon l'une des revendications 10 à 13, la 20 seconde liaison (6) comprenant un fil de couplage (62) rigide selon l'axe sensible (S), et souple selon les axes perpendiculaires audit axe sensible. 16.Accéléromètre (11) selon l'une des revendications 1 à 9, 25 l'axe sensible (S) étant perpendiculaire au plan (XY) du substrat (12). 17.Accéléromètre (11) selon la revendication 16, la première liaison (15) comprenant deux lames (151, 152) colinéaires, 30 configurées de manière à former l'axe de rotation (R) du bras de levier (14). 18.Accéléromètre (11) selon la revendication 16 ou 17, la seconde liaison (16) comprenant une lame de couplage 35 principale (161) rigide selon l'axe sensible (S) et souple selon l'axe de rotation (R). 35 19. Accéléromètre (1 1 ) selon la revendication 18, la seconde liaison (16) comprenant en outre au moins une lame de couplage secondaire (162, 163) reliée à la lame de couplage principale (161) et perpendiculaire à ladite lame 5 de couplage principale.