Brevet FR3130995A1 — publié le 20230623

Microsystème destiné à mesurer un mouvement de rotation et dispositif de mesure associé Un aspect de l’invention concerne un microsystème (MS) comprenant : un substrat ; une partie principale (PP) reliée au substrat par l’intermédiaire d’un ancrage (AN) ; une partie mobile (PM), la partir mobile (PM) étant configurée pour tourner autour d’un axe de rotation O ; une première poutre (P1) reliant la partie mobile (PM) à la partie principale (PP), la direction principale de ladite première poutre (P1) étant selon un premier vecteur e j1 ayant pour origine la jonction M 1 de la partie mobile (PM) avec la première poutre (P1) et dans le sens de la partie principale (PP) ; une deuxième poutre (P2) reliant la partie mobile (PM) à la partie principale (PP), la direction principale de ladite deuxième poutre (P2) étant selon un deuxième vecteur e j 2 ayant pour origine la jonction M 2 de la partie mobile (PM) avec la deuxième poutre (PP) et dans le sens de la partie principale (PP). De plus, le premier vecteur e j1 et le deuxième vecteur e j 2 ont même direction et sont de sens opposé et le produit vectoriel OM 1 ∧ e j1 et le produit vectoriel OM 2 ∧ e j 2 ont même signe. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1 Microsystème destiné à mesurer un mouvement de rotation et dispositif de mesure associé DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION Le domaine technique de l’invention est celui des microsystèmes. La présente invention concerne un microsystème destiné à mesurer un mouvement de rotation et en particulier un microsystème ayant une sensibilité réduite aux déformations du substrat sur lequel est réalisé le microsystème. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION Il est connu de mesurer les mouvements de rotation à l’aide de microsystèmes. Pour cela, une partie mobile suspendue et possédant un axe de rotation et relié à une partie fixe par une ou plusieurs poutres (servant de jauges de contrainte) est en général utilisé, la partie fixe étant elle-même connectée de manière rigide à un substrat. Cependant, une telle structure est relativement sensible aux déformations du substrat. Plus particulièrement, la déformation du substrat va entrainer un mouvement de translation entre la partie fixe et la partie mobile, cette translation ayant pour conséquence de déformer les poutres, ces dernières fournissant alors un signal parasite. En pratique, la sensibilité à de tels signaux parasites dépend de la position des ancrages et est en général aggravée par le phénomène d’amplification de la contrainte qui concentre la déformation au niveau des poutres. Une telle structure est également sensible à la dilatation thermique et notamment la dilatation thermique au niveau des poutres qui peut induire un mouvement de rotation de la partie mobile et donc un signal parasite. Ainsi, il existe un besoin d’une structure permettant de réduire la sensibilité aux déformations du substrat ou bien encore à la dilatation thermique, notamment au niveau des poutres. L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment en proposant une structure qui, du fait de sa symétrie, permet de réduire l’influence des déformations du substrat ou bien encore de la dilatation thermique sur le signal mesuré. Un aspect de l’invention concerne un microsystème comprenant : Un substrat ; Une partie principale reliée au substrat par l’intermédiaire d’un ancrage ; Une partie mobile, la partir mobile étant configurée pour tourner autour d’un axe de rotation O ; Une première poutre reliant la partie mobile à la partie principale, la direction principale de ladite première poutre étant selon un premier vecteur e j1 ayant pour origine la jonction M 1 de la partie mobile avec la première poutre et dans le sens de la partie principale ; Une deuxième poutre reliant la partie mobile à la partie principale, la direction principale de ladite deuxième poutre étant selon un deuxième vecteur e j 2 ayant pour origine la jonction M 2 de la partie mobile avec la deuxième poutre et dans le sens de la partie principale. De plus, le premier vecteur e j1 et le deuxième vecteur e j 2 ont la même direction et sont de sens opposé, la position des jonctions M 1 et M 2 étant choisie de sorte que le produit vectoriel OM 1 ∧ e j1 et le produit vectoriel OM 2 ∧ e j 2 ont le même signe. La structure ainsi obtenue est peu sensible aux déformations du substrat, la déformation des poutres induites par une telle déformation étant opposée et les signaux associés à ces déformations au niveau de chaque poutre s’annulant donc l’une l’autre lors de la mesure effectuée par un dispositif de mesure de la rotation à l’aide d’un microsystème selon l’invention. Elle est également peu sensible aux effets de la dilatation thermique au niveau de la microstructure ou bien encore de chaque poutre, qui, étant donné la symétrie du microsystème, produisent des efforts thermoélastiques qui s’opposent. Plus particulièrement, la sensibilité des poutres du microsystème aux déformations du substrat a un impact direct sur la stabilité des capteurs utilisant de tels microsystèmes et sur la sensibilité thermique de leur biais/offset (TCO de l’anglais Temperature Coefficient of Offset). Le substrat est en effet soumis à différents phénomènes de relaxation et de dilatation dus en particulier au packaging (comportement des colles par exemple) et aux conditions de montage (report de contrainte mécanique) dans un système Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le microsystème selon un premier aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles. Dans un mode de réalisation, la première poutre (P1) et la deuxième poutre (P2) sont réalisées dans un matériau piézorésistif. Dans un mode de réalisation, la première poutre (P1) et la deuxième poutre (P2) sont réalisées dans du silicium dopé p ou dopé n. Dans un mode de réalisation, la distance OM 1 projetée selon le vecteur e j1 est inférieure ou égale à cinq fois la distance OM 1 projetée selon un axe perpendiculaire à e j1 et dans le plan de la partie mobile PM et/ou la distance OM 2 projetée selon le vecteur e j2 est inférieure ou égale à cinq fois la distance OM 2 projetée selon un axe perpendiculaire à e j2 et dans le plan de la partie mobile PM. Dans un mode de réalisation, le matériau de la première poutre et la deuxième poutre ont un même module de Young et les relations suivantes sont vérifiées : où est la longueur de la première poutre, est la longueur de la deuxième poutre, est la distance qui sépare la première poutre du point de rotation selon un axe perpendiculaire à e j1 , est la distance qui sépare la deuxième poutre du point de rotation selon un axe perpendiculaire à e j2 , est la section de la première poutre et est la section de la deuxième poutre. Dans un mode de réalisation, le matériau de la première poutre et de la deuxième poutre ont une même résistivité et un même module de Young et les relations suivantes sont vérifiées : où est la longueur de la première poutre, est la longueur de la deuxième poutre, est la distance qui sépare la première poutre du point de rotation selon un axe perpendiculaire à e j1 , est la distance qui sépare la deuxième poutre du point de rotation selon un axe perpendiculaire à e j2 , est la section de la première poutre et est la section de la deuxième poutre. De préférence, . Dans un mode de réalisation, la partie principale comprend : une structure de liaison à laquelle sont reliées la première poutre et la deuxième poutre ; un bras primaire relié de manière rigide à la structure de liaison ; un bras secondaire (BS) relié au substrat par l’ancrage ; le bras secondaire (BS) étant relié au bras primaire (BP) par au moins une première liaison (L1) ayant une direction principale perpendiculaire à e j1 ou e j 2 et une deuxième liaison (L2) ayant une direction principale perpendiculaire à e j1 ou e j 2 . Dans un mode de réalisation, la partie principale est dite première partie principale, le microsystème comprenant : une deuxième partie principale reliée au substrat par l’intermédiaire d’un ancrage ; Une troisième poutre reliant la partie mobile à la deuxième partie principale, la direction principale de ladite troisième poutre étant selon un troisième vecteur e j 3 ayant pour origine la jonction M 3 de la partie mobile avec la troisième poutre et dans le sens de la deuxième partie principale ; Une quatrième poutre reliant la partie mobile à la deuxième partie principale, la direction principale de ladite quatrième poutre étant selon un quatrième vecteur e j 4 ayant pour origine la jonction M 4 de la partie mobile avec la quatrième poutre et dans le sens de la deuxième partie principale. De plus, le troisième vecteur e j 3 et le quatrième vecteur e j 4 ont même direction et sont de sens opposé, la position des jonctions M 3 et M 4 étant choisie de sorte que le produit vectoriel OM 3 ∧ e j 3 et le produit vectoriel OM 4 ∧ e j 4 ont même signe et sont de signe opposé à OM 1 ∧ e j1 et OM 2 ∧ e j 2 . Ainsi, les quatre poutres sont en mode « push pull » (autrement dit, elles travaillent de manière opposée – lorsque la première poutre et la deuxième poutre sont en compression, la troisième poutre et la quatrième poutre sont en extension et vice versa) et il est ainsi possible de compenser, au moins en partie, les effets de dilatation thermique. Dans un mode de réalisation, e j 1 = − e j 3 et e j 2 = − e j 4 . Dans un mode de réalisation, l’ancrage de la deuxième partie principale est identique à l’ancrage de la première partie principale. Dans un mode de réalisation, la troisième poutre est le symétrique de la première poutre par symétrie axiale selon un axe dans le plan de la partie mobile passant par l’axe de rotation O et perpendiculaire à e j1 et la quatrième poutre est le symétrique de la deuxième poutre par symétrie axiale selon un axe dans le plan de la partie mobile passant par l’axe de rotation O et perpendiculaire à e j 2 . Dans un mode de réalisation, l’axe de rotation O est déporté par rapport à la première poutre et à la deuxième poutre. Dans un mode de réalisation, le microsystème comprend un plateau de détection relié au substrat par un deuxième ancrage, ledit plateau de mesure étant relié à la partie principale, au niveau de la structure de liaison lorsqu’une telle structure existe, au moyen d’une liaison mécanique, la liaison mécanique et le plateau de mesure étant configuré pour permettre une mesure du potentiel électrique au voisinage de la première poutre et de la deuxième poutre. Un deuxième aspect de l’invention concerne un dispositif de mesure de la rotation à l’aide d’un microsystème selon un premier aspect de l’invention, ledit dispositif comprenant des moyens de mesure configurés pour mesurer la déformation de la première poutre et la déformation de la deuxième poutre, et des moyens configurés pour, à partir de ces deux déformations, déterminer l’angle de rotation de la partie mobile. Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le dispositif selon un deuxième aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles. Dans un mode de réalisation, les moyens de mesure sont configurés pour réaliser une mesure quatre point. Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend des moyens de calcul configurés pour déterminer la rotation à partir du signal utile obtenu à l’aide de la relation suivante : où est le signal utile, est un coefficient de proportionnalité entre un déplacement relatif de la partie mobile selon le vecteur e j1 par rapport à la partie principale et la déformation de la première poutre, est un coefficient de proportionnalité entre un déplacement relatif de la partie mobile selon le vecteur e j 2 par rapport à la partie principale et la déformation de la deuxième poutre. La déformation est la déformation de la première poutre selon le vecteur e j1 et est la déformation de la deuxième poutre selon le vecteur e j 2 . L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention. La montre un microsystème selon un premier mode de réalisation. La montre un microsystème selon un deuxième mode de réalisation. La montre un microsystème selon un troisième mode de réalisation. La montre un microsystème selon un quatrième mode de réalisation. La montre un microsystème selon un cinquième mode de réalisation. La montre un microsystème selon un sixième mode de réalisation. Les , et montrent un microsystème selon un septième mode de réalisation. La montre un microsystème selon un huitième mode de réalisation. Microsystème (MS) comprenant : Un substrat (SB) ; Une partie principale (PP) reliée au substrat par l’intermédiaire d’un ancrage (AN) ; Une partie mobile (PM), la partie mobile (PM) étant configurée pour tourner autour d’un axe de rotation O ; Une première poutre (P1) reliant la partie mobile (PM) à la partie principale (PP), la direction principale de ladite première poutre (P1) étant selon un premier vecteur e j1 ayant pour origine la jonction M 1 de la partie mobile (PM) avec la première poutre (P1) et pour direction la partie principale (PP) ; Une deuxième poutre (P2) reliant la partie mobile (PM) à la partie principale (PP), la direction principale de ladite deuxième poutre (P2) étant selon un deuxième vecteur e j 2 ayant pour origine la jonction M 2 de la partie mobile (PM) avec la deuxième poutre (P2) et pour direction la partie principale (PP) ; le microsystème (MS) étant caractérisé en ce que le premier vecteur e j1 et le deuxième vecteur e j 2 ont même direction et sont de sens opposé, la position des jonctions M 1 et M 2 étant choisie de sorte que le produit vectoriel OM 1 ∧ e j1 et le produit vectoriel OM 2 ∧ e j 2 ont même signe. Microsystème (MS) selon la revendication précédente dans lequel la première poutre (P1) et la deuxième poutre (P2) sont réalisées dans un matériau piézorésistif. Microsystème (MS) selon la revendication précédente dans lequel la première poutre (P1) et la deuxième poutre (P2) sont réalisées dans du silicium dopé p ou dopé n. Microsystème (MS) selon l’une des revendications précédentes dans lequel la distance OM 1 projetée selon le vecteur e j1 est inférieure ou égale à cinq fois la distance OM 1 projetée selon un axe perpendiculaire à e j1 et dans le plan de la partie mobile PM et/ou la distance OM 2 projetée selon le vecteur e j2 est inférieure ou égale à cinq fois la distance OM 2 projetée selon un axe perpendiculaire à e j2 et dans le plan de la partie mobile PM. Microsystème (MS) selon l’une des revendications précédentes dans lequel le matériau de la première poutre (P1) et de la deuxième poutre (P2) ont un même module de Young et les relations suivante sont vérifiées : où est la longueur de la première poutre, est la longueur de la deuxième poutre, est la distance qui sépare la première poutre du point de rotation selon un axe perpendiculaire à e j1 , est la distance qui sépare la deuxième poutre du point de rotation selon un axe perpendiculaire à e j2 , est la section de la première poutre et est la section de la deuxième poutre. Microsystème (MS) selon l’une des revendications précédentes dans lequel le matériau de la première poutre (P1) et de la deuxième poutre (P2) ont une même résistivité et un même module de Young et les relations suivantes sont vérifiées : où est la longueur de la première poutre, est la longueur de la deuxième poutre, est la distance qui sépare la première poutre du point de rotation selon un axe perpendiculaire à e j1 , est la distance qui sépare la deuxième poutre du point de rotation selon un axe perpendiculaire à e j2 , est la section de la première poutre et est la section de la deuxième poutre. Microsystème (MS) selon la revendication précédente dans lequel . Microsystème (MS) selon l’une des revendications précédentes dans lequel la partie principale (PP) comprend : une structure de liaison (SL) à laquelle sont reliées la première poutre (P1) et la deuxième poutre (P2) ; un bras primaire (BP) relié de manière rigide à la structure de liaison (SL) ; un bras secondaire (BS) relié au substrat par l’ancrage (AN) ; le bras secondaire (BS) étant relié au bras primaire (BP) par au moins une première liaison (L1) ayant une direction principale perpendiculaire à e j1 ou e j 2 et une deuxième liaison (L2) ayant une direction principale perpendiculaire à e j1 ou e j 2 . Microsystème (MS) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la partie principale est dite première partie principale (PP), le microsystème comprenant : une deuxième partie principale (PP’) reliée au substrat par l’intermédiaire d’un ancrage (AN’) ; Une troisième poutre (P3) reliant la partie mobile (PM) à la deuxième partie principale (PP’), la direction principale de ladite troisième poutre (P3) étant selon un troisième vecteur e j 3 ayant pour origine la jonction M 3 de la partie mobile (PM) avec la troisième poutre (P3) et pour sens la partie deuxième principale (PP’) ; Une quatrième poutre (P4) reliant la partie mobile (PM) à la deuxième partie principale (PP’), la direction principale de ladite quatrième poutre (P4) étant selon un quatrième vecteur e j 4 ayant pour origine la jonction M 4 de la partie mobile (PM) avec la quatrième poutre (P4) et pour sens la deuxième partie principale (PP’) ; le troisième vecteur e j 3 et le quatrième vecteur e j 4 ayant même direction et étant de sens opposé, la position des jonctions M 3 et M 4 étant choisie de sorte que le produit vectoriel OM 3 ∧ e j 3 et le produit vectoriel OM 4 ∧ e j 4 ont même signe et sont de signe opposé à OM 1 ∧ e j1 et OM 2 ∧ e j 2 . Microsystème (MS) selon la revendication précédente dans lequel e j 1 = − e j 3 et e j 2 = − e j 4 . Microsystème (MS) selon l’une des deux revendications précédentes dans lequel l’ancrage de la deuxième partie principale (PP’) est identique à l’ancrage de la première partie principale (PP). Microsystème (MS) selon l’une des trois revendications précédentes dans lequel la troisième poutre (P3) est le symétrique de la première poutre (P1) par symétrie axiale selon un axe dans le plan de la partie mobile (PM) passant par l’axe de rotation O et perpendiculaire à e j1 et la quatrième poutre (P4) est le symétrique de la deuxième poutre (P2) par symétrie axiale selon un axe dans le plan de la partie mobile (PM) passant par l’axe de rotation O et perpendiculaire à e j 2 . Microsystème (MS) selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’axe de rotation O est déporté par rapport à la première poutre (P1) et à la deuxième poutre (P2). Microsystème (MS) selon l’une des revendication précédentes comprenant un plateau de mesure (PD) relié au substrat par un deuxième ancrage (AN2), ledit plateur de mesure (PD) étant relié à la partie principale (PP), au niveau de la structure de liaison (SL) lorsqu’une telle structure (SL) existe, au moyen d’une liaison mécanique, la liaison mécanique (LM) et le plateau de mesure (PD) étant configuré pour permettre une mesure du potentiel électrique au voisinage de la première poutre (P1) et de la deuxième poutre (P2). Dispositif de mesure de la rotation à l’aide d’un microsystème selon l’une des revendications précédente, ledit dispositif comprenant des moyens de mesure configurés pour mesurer la déformation de la première poutre (P1) et la déformation de la deuxième poutre (P2), et des moyens configurés pour, à partir de ces deux déformations, de déterminer l’angle de rotation de la partie mobile (PM). Dispositif selon la revendication précédente dans lequel le microsystème est un microsystème selon la revendication 14, les moyens de mesure sont configurés pour réaliser une mesure quatre points. Dispositif selon la revendication 15 ou la revendication 16 comprenant des moyens de calcul configurés pour déterminer la rotation à partir du signal utile obtenu à l’aide de la relation suivante : où est le signal utile, est un coefficient de proportionnalité entre un déplacement relatif de la partie mobile (PM) par rapport à la partie principale (PP) et la déformation de la première poutre (P1), est un coefficient de proportionnalité entre un déplacement relatif de la partie mobile (PM) par rapport à la partie principale PP et la déformation de la deuxième poutre (P1), déformation est la déformation de la première poutre (P1) et est la déformation de la deuxième poutre (P2).