INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
La détection de vibrations peut également être obtenue au moyen de systèmes capacitifs fondés sur la technologie MEMS mettant en œuvre la mesure de la variation capacitive entre des doigts d’un peigne fixe et les doigts d’un peigne mobile couplé à une masse mobile, dite masse d’épreuve. En pratique, la masse mobile se présente sous la forme d’une plaque couplée à des ressorts et est dimensionnée pour être sensible au déplacement du corps auquel le système est rapporté. La masse mobile s’étend généralement dans l’axe sensible de détection, et les doigts du peigne mobile s’étendent latéralement de la masse mobile et sont interdigités avec ceux du peigne fixe. Les doigts des peignes fixes et mobiles forment ainsi des électrodes.
Ces dispositifs MEMS à base de silicium présentent de nombreux avantages pour les applications industrielles. En effet, comparés aux capteurs piézoélectriques qui sont plus massifs, les capteurs MEMS peuvent être fabriqués collectivement sur une plaque de silicium en grand volume à coût réduit et présentent un encombrement réduit comparé aux dispositifs piézoélectriques. Cependant, du fait de leur architecture, de tels systèmes MEMS ne sont généralement adaptés que pour des gammes de fréquence allant jusqu’à quelques kHz, par exemple 2 kHz, ce qui n’est pas suffisant pour couvrir la plage d’amplitude de vibrations requise pour surveiller l’état d’une machine industrielle par exemple.
De plus, afin de rejeter les variations liées à l’environnement (thermique, stress mécanique) la configuration en mode différentiel est généralement privilégiée, c’est-à-dire que le système intègre deux peignes fixes dont les doigts sont interdigités avec ceux du peigne mobile de manière que, lors d’un déplacement de la masse mobile, les électrodes du peigne mobile se rapprochent des électrodes de l'un des peignes fixes, tout en s’éloignant des électrodes de l'autre peigne fixe. En d’autres termes, la capacité augmente entre les électrodes du peigne mobile et un premier peigne fixe, et la capacité diminue entre le peigne mobile et un second peigne fixe. Cette différence de variation de capacité est mesurée et convertie en un signal électrique représentatif de l'accélération à laquelle le système est exposé. Un tel système MEMS est par exemple présenté dans le document EP0605303.
Or, lors de la fabrication de ces dispositif MEMS dans une plaque de silicium (wafer), la plaque de silicium va généralement subir des déformations, notamment à cause des contraintes liées aux matériaux déposés et aux gravures. Cette planéité non-homogène du wafer génère des variations dimensionnelles entre les doigts et induit une différence (offset) dans les capacités mesurées au repos, en fonction du positionnement des électrodes fixes et mobiles sur la plaque de silicium. Ainsi, plus cette variation dimensionnelle est importante et plus l’offset capacitif associé est important.
Pour pallier ce problème, une première approche consiste à alterner localement les électrodes positives et négatives, et notamment à positionner chaque doigt du peigne mobile entre un doigt d’un peigne fixe (électrode positive) et un doigt d’un autre peigne fixe (électrode négative). Une telle configuration est par exemple décrite dans le brevet US6386032. Malheureusement, cette approche complexifie le procédé de fabrication puisqu’elle nécessite une reprise de contact additionnel pour assurer la connexion électrique des différents doigts, ce qui tend à augmenter le coût de fabrication.
Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer une architecture alternative pour un dispositif micro-électromécanique MEMS à peignes interdigités pour la détection de vibrations dans le plan du substrat dans lequel est réalisé le dispositif.
L’invention vise notamment à proposer une architecture tendant à réduire les dimensions du dispositif MEMS tout en maintenant une variation capacitive efficace.
L’invention vise également à proposer une architecture qui permette de compenser et donc de limiter l’impact des imperfections ou déformations induites lors de la fabrication explicitées ci-avant, et à proposer un dispositif MEMS qui soit avantageusement adapté pour la détection haute fréquence.
L’invention a ainsi pour objet un dispositif micro-électromécanique (MEMS) de détection de vibration suivant un axe sensible S, par mesure capacitive différentielle. Le dispositif MEMS comprend une matrice de cellules actives réparties dans un plan actif parallèle à l’axe sensible S. Cette matrice est formée d’un nombre i de cellules actives dites positives et d’un nombre i de cellules actives dites négatives, i étant un nombre pair. Chacune des cellules actives positives et négatives est formée d’au moins un peigne mobile et d’au moins un peigne fixe. Les doigts du peigne fixe et les doigts du peigne mobile forment respectivement des électrodes fixes et mobiles, s’étendent dans le plan actif perpendiculairement à l’axe sensible S, et sont interdigités. Les peignes mobiles de toutes les cellules actives positives et négatives se déplacent simultanément dans une même direction sensiblement parallèle à l’axe sensible S en réponse à un déplacement, notamment de type accélération ou vibration, appliqué au dispositif MEMS, induisant une première valeur capacitive C1 entre des électrodes fixes et mobiles adjacentes dans chaque cellule active positive, et une deuxième valeur capacitive C2 entre des électrodes fixes et mobiles adjacentes dans chaque cellule active négative, la différence entre ces valeurs capacitives C1 et C2 étant représentative du déplacement appliqué au dispositif MEMS.
En d’autres termes, contrairement aux accéléromètres MEMS à détection capacitive différentielle de l’art antérieur dans lesquels un même doigt mobile est couplé à deux doigts adjacents de deux peignes fixes distincts, la présente invention propose de coupler chaque peigne fixe avec un peigne mobile distinct de manière à former des cellules capacitives actives, et de répartir ces cellules actives en matrice sur le wafer. En particulier, les peignes fixes et mobiles des cellules capacitives sont interdigités de sorte que, lors d’un déplacement des peignes mobiles suivant l’axe sensible : - dans certaines des cellules capacitives, les électrodes mobiles s’éloignent des électrodes fixes dans la direction de déplacement ; et - dans certaines autres cellules capacitives, les électrodes mobiles se rapprochent des électrodes fixes dans la direction de déplacement, dans les mêmes proportions.
On peut donc distinguer dans cette matrice de cellules capacitives, des cellules dites positives (pour lesquelles les doigts sont utilisés comme électrodes positives lors de la mesure de capacité) et des cellules dites négatives (pour lesquelles les doigts sont utilisés comme électrodes négatives pour la mesure de capacité), selon que les doigts mobiles s’éloignent ou se rapprochent des doigts fixes pour un déplacement des peignes mobiles dans une direction donnée. Ainsi, sur le même principe que pour les accéléromètres MEMS à capacité différentielle de l’art antérieur, la différence des capacités entre les différentes cellules positives et négatives, est représentative du déplacement subi par le corps auquel le dispositif MEMS est rapporté.
La topologie consistant à répartir des cellules actives positives et négatives en matrice ou en réseau permet d’éviter les reprises de contact rendues nécessaire dans les solutions de l’art antérieur. En outre, cette répartition en matrice permet également de minimiser l’impact des variations dimensionnelles entre des électrodes positives et négatives, dues au process de fabrication.
Par ailleurs, on remarquera que le dispositif MEMS de détection de l’invention ne nécessite pas de masse d’épreuve dédiée, les masses propres des peignes mobiles jouant le rôle de masse sensible. Cette configuration permet d’augmenter la surface active pour la détection.
Ainsi, contrairement aux accéléromètre MEMS classiques de l’art antérieur dont l’architecture est essentiellement adaptée pour la mesure dans une bande passante typique de 2 kHz, le dispositif MEMS de l’invention permet de réaliser des capteurs de vibration capables de détecter des vibrations dans une bande passante beaucoup plus élevée, par exemple supérieure ou égale à 10 kHz.
Sur la est représenté schématiquement un exemple de capteur MEMS pour la mesure de déplacement par mesure capacitive différentielle selon un mode de réalisation de l’invention. Ce capteur MEMS est formé d’une matrice 1 de cellules capacitives actives 10 réparties dans un plan actif (généralement le plan principal du substrat ou wafer dans lequel le dispositif MEMS est fabriqué) parallèle à un axe sensible S de détection prédéfini du capteur. Le capteur MEMS de la comprend notamment 16 cellules actives. Comme indiqué sur la , chaque cellule active 10 est exempte de masse d’épreuve spécifique et est simplement formée d’un peigne fixe 2 et d’un peigne mobile 3 dont les doigts 21 , 31 sont interdigités entre eux.
Comme illustré aux figures 2 et 3, chaque cellule active 10 est formée d’un cadre 30 dans le plan actif et d’une poutre centrale 20 positionnée dans le cadre 3 0 et s’étendant dans la direction de l’axe sensible S . Le cadre 30 porte les doigts 31 du peigne mobile 3 , et la poutre centrale 2 0 porte les doigts 21 du peigne fixe 2 . Les doigts 31 du peigne mobile 3 , que l’on nommera par la suite « doigts mobiles », s’étendent des deux parties latérales du cadre 30 , vers l’intérieur du cadre 30 et perpendiculairement à l’axe sensible S . Les doigts 21 du peigne fixe 2 , que l’on nommera par la suite « doigts fixes », s’étendent latéralement de part et d’autre de la poutre centrale 20 . La poutre centrale 20 est fixe et est notamment solidaire, par l’intermédiaire de la zone d’ancrage 22 , des déplacements suivant l’axe sensible S (par exemple orienté parallèlement à un axe X d’un référentiel galiléen), subis par le corps auquel le capteur MEMS est rapporté, tandis que le cadre 30 est libre et donc au repos par rapport au référentiel galiléen. En d’autres termes, le cadre 30 est destiné à être mobile par rapport à la poutre centrale 20 .
Pour optimiser la surface occupée par les supports (cadres et poutres) des doigts, chaque cellule active a de préférence une partie latérale du cadre mobile commune avec les cellules actives adjacentes. En particulier, comme illustré sur la montrant une partie commune entre deux cellules actives 10N , 10P adjacentes suivant l’axe W perpendiculaire à l’axe sensible S , les doigts mobiles des deux cellules actives 10P , 10N adjacentes s’étendent avantageusement d’une même partie latérale du cadre mobile. La disposition des doigts fixes et des doigts mobiles de part et d’autre de la poutre centrale peut être symétrique par rapport à l’axe central de la poutre, sans toutefois être une condition indispensable. De même, deux cellules actives 10N , 10P adjacentes suivant l’axe S partagent une même portion de cadre 30 .
En pratique, pour permettre la réalisation de mesures capacitives différentielles, les cellules actives 10 de la matrice sont configurées de sorte que, lors d’un déplacement des peignes mobiles suivant l’axe sensible S : - dans certaines des cellules capacitives actives, les doigts mobiles s’éloignent des doigts fixes dans la direction de déplacement ; et - dans certaines autres cellules capacitives actives, les doigts mobiles se rapprochent des doigts fixes dans la même direction de déplacement, et dans les mêmes proportions.
Ainsi, la matrice 1 de cellules actives 10 comprend des cellules actives dites positives 10P et des cellules actives dites négatives 10N . On entend par cellule active positive 10P , une cellule active pour laquelle les doigts sont utilisés en tant qu’électrodes positives pour la mesure capacitive différentielle, et par cellule active négative 10N , une cellule active pour laquelle les doigts sont utilisés en tant qu’électrodes négatives pour la mesure capacitive différentielle. En pratique, lors d’un déplacement du corps auquel le capteur MEMS est rapporté, tous les peignes mobiles 3 des cellules capacitives actives 10P et 10N se déplacent simultanément dans une même direction sensiblement parallèle à l’axe sensible S . En réponse à ce déplacement, une première valeur capacitive C1 inter-doigts peut être mesurée via les cellules capacitives positives et une deuxième valeur capacitive C2 inter-doigts peut être mesurée via les cellules capacitives négatives. En pratique, quand la masse mobile est soumise à une accélération qui génère un déplacement selon l’axe sensible S , la première valeur capacitive C1 est différente de la deuxième valeur capacitive C2, et la différence entre ces valeurs capacitives C1 et C2 est représentative du déplacement de la masse mobile.
Par ailleurs, afin de réduire l’impact de l’offset capacitif au repos induit notamment par les variations dimensionnelles résultant des déformations du wafer lors du process, les cellules actives positives 10P et négatives 10N sont réparties en une matrice centrosymétrique, avec autant de cellules actives positives et négatives sur les lignes de la matrice que sur les colonnes de la matrice, et ce en nombre pair. Ainsi, les cellules actives sont réparties sous la forme d’une matrice carrée d’ordre M , avec M un nombre pair, et cette matrice MxM contiendra autant de cellules actives positives 10P que de cellules actives négatives 10N , avec i=M², i étant le nombre total de cellules actives (positives et négatives).
Trois exemples de configurations sont présentés sur les figures 5 à 7, respectivement 2x2, 4x4 et 8x8, et dans lesquels les matrices comprennent une alternance de cellules actives positives 10P et négatives 10N .
Dans une autre variante, il est possible d’envisager une configuration dans laquelle des groupes de cellules actives positives sont disposés en alternance avec des groupes de cellules actives négatives. En d’autres termes, la matrice contiendrait des sous-matrices de lxl cellules actives positives et des sous-matrices de l x l cellules actives négatives, l étant un nombre pair. Chacune des sous-matrices est formée de cellules actives de même type, à savoir cellule positive ou cellule négative. Ainsi, chaque sous-matrice de cellules actives positives est formée de l 2 cellules actives positives et chaque sous-matrice de cellules actives négatives est formée de l 2 cellules actives négatives. Un exemple illustrant cette configuration est présenté à la . La matrice 4x4 est formée de sous-matrices 2x2.
Des moyens d’ancrage reliant la structure 1 à un bâti peuvent être prévus pour empêcher le déplacement de la structure 1 hors du plan actif, ainsi que pour assurer le déplacement des peignes mobiles suivant l’axe sensible S et l’immobilité des peignes fixes dans le plan actif.
Par exemple, la structure 1 peut comprendre un ancrage central 4 ( ) relié au bâti et configuré pour éviter tout déplacement de la structure hors du plan actif. Des points d’ancrage 33 disposés à des coins stratégiques de la structure et couplés au cadre mobile via des microstructures flexibles, telles que des ressorts ou des microstructures en serpentin, peuvent également être prévus pour assurer la sensibilité des peignes mobiles au déplacement suivant l’axe sensible S .
Par ailleurs, chaque poutre centrale 20 peut être maintenue immobile dans le plan actif au moyen d’un ou de plusieurs autres points d’ancrage, par exemple au niveau du centre de la poutre 20 ( ). La poutre centrale 20 qui fait office de support pour les doigts fixes 21 peut se présenter globalement sous la forme d’un corps allongé s’étendant parallèlement à l’axe sensible S et relié au bâti en son centre via une zone d’ancrage 22 . La surface de cette zone d’ancrage 22 n’excède de préférence pas 50% de la surface totale de la poutre centrale. Ainsi, dans cette configuration, les doigts fixes d’une cellule active peuvent avoir des longueurs (suivant l’axe W ) et des largeurs (suivant l’axe S ) légèrement différentes.
Avantageusement, les éléments de la structure sont dimensionnés pour éviter les modes de fonctionnement non souhaités, et pour permettre aux masses propres des peignes mobiles de faire office de masse d’épreuve.
Dans le capteur MEMS de l’invention, la partie mobile sensible est formée par l’ensemble cadre et doigts mobiles, tandis que dans les accéléromètres MEMS de l’art antérieur configurés pour une mesure capacitive différentielle, la partie mobile sensible est formée par l’ensemble masse d’épreuve et doigts mobiles. Dans l’invention, la surface des doigts mobiles peut représenter la moitié de la surface totale de la partie mobile sensible, tandis qu’elle ne représente typiquement qu’un quart dans les accéléromètres MEMS de l’art antérieur.
A titre d’exemple, les dimensionnements suivants peuvent être considérés :
Pour chaque cellule active, la largeur de la poutre centrale portant les doigts fixes peut être sensiblement égale à la largeur des portions du cadre portant les électrodes mobiles. Cette homogénéité dimensionnelle améliore l’homogénéité de la gravure du silicium, réduisant ainsi l’offset capacitif. En pratique, cette largeur est avantageusement inférieure ou égale à 20µm, par exemple égale à 20µm, afin de minimiser la surface tout en repoussant les modes parasites au-delà de 20kHz.
La largeur des doigts ainsi que l’espacement entre les doigts, sont avantageusement fixées à la plus petite dimension possible autorisée par la technologie MEMS, classiquement de l’ordre de 3µm pour une épaisseur de 60µm.
En effet, la partie haute de la vitre 20 du vitrage 10 est destinée à rentrer dans une rainure 104 de la carrosserie du véhicule automobile 100 lorsque la vitre 20 est complètement remontée et la portière 102 fermée. Ainsi, la précision de fixation latérale du vitrage10 avec une faible tolérance est en outre importante pour pouvoir garantir l’introduction de la partie haute de la vitre 20 dans la rainure 104 du véhicule automobile 100 et cela notamment lorsque le véhicule automobile 100 n’est pas à l’arrêt.
Tel qu’expliqué précédemment, les moyens de fixation 30 du vitrage 10 doivent permettre d’obtenir une rigidité suffisante afin de résister à la pression qui, orientée de l’intérieur du véhicule vers l’extérieur, s’exerce sur la vitre 20 d’un vitrage 10 monté dans une portière 102 sans cadre lorsque le véhicule automobile 100 roule à une vitesse donnée avec la vitre ouverte, ladite pression pouvant sinon conduire à des problèmes de fermeture de la vitre 20 par rapport à la rainure 104.
De préférence, le vitrage 10 est de type feuilleté, c’est-à-dire formé par une vitre 20 comportant une première feuille V1 de verre et une deuxième feuille V2 de verre qui sont assemblées par un intercalaire M comportant au moins une feuille de matériau polymère, généralement en PVB.
Selon les applications, la première feuille V1 de verre et la deuxième feuille V2 de verre peuvent présenter des épaisseurs différentes. De préférence et tel qu’illustré dans la loupe sur la , la première feuille V1 de verre plus épaisse est alors située à l’extérieur du véhicule automobile 100 et la deuxième feuille V2 de verre plus mince située à l’intérieur du véhicule, la face concave du vitrage 10 étant orientée vers l’intérieur du véhicule automobile 100.
Le vitrage 10 feuilleté peut comporter une première feuille V1 de verre et une deuxième feuille V2 de verre ayant ou non une même composition.
De préférence, le vitrage 10 feuilleté comporte une première feuille V1 de verre et une deuxième feuille V2 de verre qui sont de formes identiques, c’est-à-dire présentant un même pourtour de sorte à se superposer totalement l’une par rapport à l’autre.
En variante, le vitrage 10 est partiellement feuilleté et non totalement feuilleté, la deuxième feuille V2 de verre étant plus courte en partie basse que la première feuille V1 de verre de sorte que les moyens de fixation 30 sont alors fixés à une zone de fixation constituée d’au moins la première feuille V1 de verre la plus épaisse, voire d’un insert, mais pas de la deuxième feuille V2 de verre.
En variante non représentée, le vitrage 10 est de type monolithique, c’est-à-dire formé d’une vitre 20 comportant une seule feuille de verre.
Ainsi, l’invention est susceptible d’être mise en œuvre pour fabriquer indifféremment un vitrage 10 de type feuilleté ou de type monolithique, respectivement bien connus de l’Homme du métier et qui ne seront en conséquence par décrits plus en détails dans la suite de la description.
On a représenté sur la un mode de réalisation d’un vitrage 10 selon l’invention qui est en particulier apte à être monté dans une portière 102 sans cadre telle que celle du véhicule automobile 100 illustré par la .
La vitre 20 dudit vitrage 10 comporte une face 22 extérieure et une face 24 intérieure, transversalement opposées, ainsi qu’un chant 26 périphérique. La vitre 20 comporte un bord avant 23, un bord arrière 25, un bord supérieur 27 et un bord inférieur 28 formant ensemble ledit chant 26 périphérique de la vitre 20.
Le bord avant 23 et le bord arrière 25 de la vitre 20 sont ainsi disposés longitudinalement suivant l’axe X, respectivement dans la partie de la vitre orientée vers l’avant et dans la partie de la vitre orientée vers l’arrière du véhicule 100 lorsque la portière 102 est fermée. De la même manière, le bord supérieur 27 et le bord inférieur 28 de la vitre 20 sont disposés suivant l’axe Z, respectivement dans la partie de la vitre orientée vers le toit et dans la partie de la vitre orientée vers le sol sur lequel repose le véhicule automobile 100.
Sur la , on a matérialisé sur la vitre 20 la « limite de visibilité » ou « ligne de vision » par un trait discontinu qui est référencé « VL » et correspond au haut du caisson de la portière 102 à l’intérieur duquel le vitrage 10 est monté coulissant verticalement, soit selon l’axe Z.
Lorsque le vitrage 10 est considéré verticalement, ladite limite de visibilité VL correspond à une séparation entre une partie basse HP de la vitre 20 qui, cachée car située en dessous la limite de visibilité VL, est destinée à être logée à l’intérieur de la portière 102 quelle que soit la position ouverte ou fermée de la vitre 20 par rapport à ladite portière et, d’autre part, une partie haute VP de la vitre 20 qui est visible car située au-dessus de ladite limite de visibilité VL.
La vitre 20 comporte dans ladite partie basse HP au moins une zone de fixation F à laquelle sont fixés lesdits moyens 30 de fixation qui sont configurés pour permettre la mobilité de ladite vitre 20 en translation verticale par rapport à la portière 102 dudit véhicule 100.
Dans le mode de réalisation de la , la vitre 20 comporte préférentiellement deux zones de fixation F et F’, respectivement avant et arrière. Le vitrage 10 comporte des moyens de fixation 30 comportant au moins un support 32 qui est fixé à chacune desdites zones de fixation F et F’ de la vitre 20 de manière identique.
P : capteur de pression
Ht : capteur d’humidité
Db : capteur de débit
Dt : capteur de densité
Nv : capteur de niveau
Le procédé d’adsorption qui produit le mélange à séparer traite souvent un gaz issu d’un procédé de production d’hydrogène, par exemple un procédé de reformage tel qu’un reformeur à vapeur d’eau et à méthane connu sous l’acronyme SMR, un reformeur autothermique connu sous l’acronyme ATR ou une oxydation partielle connue sous l’acronyme POX.
FR2877939 décrit la séparation d’un gaz résiduaire d’un PSA par condensation partielle, les incondensables de la condensation partielle étant séparés par perméation, le perméat étant recyclé en amont du PSA.
Selon l’invention, le procédé traite un gaz, pouvant être le gaz résiduaire appauvri en hydrogène venant d’un procédé d’adsorption, par exemple de type à bascule de pression, connu sous l’acronyme PSA. Ce gaz peut être comprimé, séché, séparé par condensation partielle et/ou distillation pour produire un fluide enrichi en CO2, un gaz résiduaire de la condensation partielle et/ou la distillation étant séparé par perméation dans deux unités membranaires.