FR3024872A1 - Dispositif microelectromecanique presentant une sensibilite vis-a-vis des sollicitations mecaniques hors plan - Google Patents

Dispositif microelectromecanique presentant une sensibilite vis-a-vis des sollicitations mecaniques hors plan Download PDF

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Abstract

Dispositif micro-électromécanique réalisé dans un substrat semi-conducteur et comprenant au moins une masse principale (1) apte à se déplacer en rotation autour d'un axe de rotation (4) parallèle au plan du substrat sous l'effet d'une première sollicitation mécanique. Le dispositif comprend en outre au moins un ensemble mécanique de détection formé : - d'une masse intermédiaire (51, 52) reliée à une zone d'ancrage (2) via des moyens de liaison (61, 62) mécanique, autorisant un déplacement de la masse intermédiaire (51, 52) parallèlement au plan du substrat sous l'effet d'une deuxième sollicitation mécanique induisant un déplacement du dispositif suivant un axe X parallèle au plan du substrat et perpendiculaire à l'axe de rotation (4) ; et - d'une jauge de contraintes (71, 72) solidarisée à la masse principale (1) via un premier point d'attache (711, 721) et solidarisée à la masse intermédiaire (51, 52) via un second point d'attache (712, 722), les déplacements du premier point d'attache (711, 721) et du second point d'attache (712, 722) étant de directions sensiblement identiques et d'amplitudes différentes sous l'effet de la première sollicitation, et de directions sensiblement identiques et d'amplitudes sensiblement égales sous l'effet de la deuxième sollicitation.

Description

-1- DISPOSITIF 1VIICROELECTRO1VIECANIOUE PRESENTANT UNE SENSIBILITE VIS-A-VIS DES SOLLICITATIONS 1VIECANIOUES HORS PLAN DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte à des systèmes micro-électromécaniques, également désignés en anglais par l'acronyme MEMS pour « Micro-ElectroMechanical Systems ». En particulier, la présente invention concerne un transducteur MEMS à détection dit « hors plan ». L'invention est notamment adaptée pour la réalisation de magnétomètre ou d'accéléromètre. ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE Les transducteurs micro-électromécaniques de force, tels que les accéléromètres, les gyromètres ou les magnétomètres, se déclinent typiquement sous la forme de dispositifs comprenant une masse mobile et des moyens de détection mesurant les déplacements de cette masse mobile sous l'effet d'une force qui lui est appliquée. Une telle force peut notamment être induite par une accélération de l'objet sur lequel le transducteur est reporté ou encore par un champ magnétique appliqué à l'objet. En pratique, la masse mobile est réalisée à partir d'un substrat semi-conducteur et se présente généralement sous la forme d'une couche d'épaisseur de l'ordre d'une ou de plusieurs dizaines de microns, parallèle au plan du substrat. Des éléments déformables couplant la masse mobile à des zones d'ancrages fixes maintiennent la masse mobile en suspension tout en autorisant son déplacement sous l'effet de la force à mesurer. En outre, la masse mobile est couplée à des moyens permettant de détecter ses déplacements consécutifs à l'application de la force à mesurer. En particulier, dans le cas d'un transducteur à détection dit « hors plan », l'architecture est telle que ces moyens de détections fournissent un signal proportionnel à la force hors plan à mesurer, et un signal d'amplitude bien plus faible sous l'effet d'une force dans le plan du substrat. Dans le cas par exemple des transducteurs utilisant des jauges de contraintes, il est avantageux que les déplacements hors plan de la masse mobile engendrent des contraintes maximales sur chacune des jauges, et qu'à l'inverse les déplacements parasites dans le plan de la masse 3024872 -2- mobile exercent sur chacune des jauges des contraintes parasites minimales, qu'on ne peut toutefois négliger lors des mesures. En pratique, il est donc avantageux de s'affranchir de ces bruits de mesure résultant des 5 contraintes parasites exercées sur ces jauges, en rendant le système de détection du transducteur le moins sensible aux sollicitations mécaniques non désirées, telles que des accélérations ou des chocs, engendrant des déplacements parasites de la masse mobile parallèlement au plan du substrat.
10 Ainsi, pour réduire la sensibilité du système de détection à ces déplacements parasites dans le plan, il est courant, notamment dans le cas des accéléromètres, d'intégrer des moyens de découplage de la masse mobile, sous la forme par exemple de bras de liaison ou de ressorts, afin de limiter tout déplacement non désiré de la masse mobile. Un exemple de tels moyens de découplage est décrit dans le document WO 2014/102507.
15 Cependant, l'ajout de ces moyens de découplage peut présenter l'inconvénient d'augmenter l'encombrement global du transducteur, ainsi que de diminuer sa sensibilité. EXPOSE DE L'INVENTION 20 Dans ce contexte, un objectif de la présente invention est de proposer une solution pour la réalisation d'un transducteur à détection ou déplacement hors plan d'encombrement réduit, dans lequel les sollicitations mécaniques dites « dans le plan » de la masse mobile ne sont pas détectées. La solution proposée consiste notamment à rendre quasiment nulles les variations des moyens de détection induites par les déplacements parasites du 25 transducteur. La présente invention a ainsi pour objet un dispositif micro-électromécanique réalisé dans un substrat semi-conducteur dont les couches sont parallèles à un plan du substrat. Le dispositif comprend notamment : 30 - au moins une zone d'ancrage fixe ; - une masse principale apte à se déplacer en rotation autour d'un axe de rotation parallèle au plan du substrat sous l'effet d'une première sollicitation mécanique suivant un axe Z perpendiculaire au plan du substrat. Cette masse principale comprend deux zones d'attache symétriques par rapport à un axe X parallèle au plan du substrat et 3024872 -3- perpendiculaire à l'axe de rotation; et - des éléments déformables reliant les deux zones d'attache à la zone d'ancrage, et autorisant un déplacement de la masse principale autour de l'axe de rotation.
5 Selon l'invention, le dispositif comprend en outre au moins un ensemble mécanique de détection formé : - d'une masse intermédiaire reliée à la zone d'ancrage via des moyens de liaison mécanique, autorisant un déplacement de la masse intermédiaire parallèlement au plan du substrat sous l'effet d'une deuxième sollicitation mécanique induisant un déplacement du 10 dispositif suivant l'axe X; et - d'une jauge de contraintes s'étendant perpendiculairement à l'axe de rotation, cette jauge étant solidarisée à la masse principale via un premier point d'attache et étant solidarisée à la masse intermédiaire via un second point d'attache.
15 Par ailleurs, selon l'invention, l'architecture de la masse intermédiaire et le positionnement de la jauge sont tels que les déplacements du premier point d'attache et du second point d'attache sont de directions sensiblement identiques et d'amplitudes différentes sous l'effet de la première sollicitation, et de directions sensiblement identiques et d'amplitudes sensiblement égales sous l'effet de la deuxième sollicitation.
20 En d'autres termes, la présente invention propose d'intégrer au moins deux masses sensibles couplées chacune à une extrémité d'une même jauge de contrainte. L'une des deux masses est appelée masse principale, tandis que l'autre est appelée masse intermédiaire. Ces deux masses sont configurées pour avoir des sensibilités différentes 25 selon les sollicitations mécaniques auxquelles elles peuvent être soumises : - la première sollicitation mécanique, qui est celle que l'on souhaite mesurer, est notamment un couple orienté suivant l'axe Y et ayant tendance à faire sortir les masses hors du plan. La masse principale y est sensible, la masse intermédiaire y est résistante. La jauge fixée entre les deux masses subit donc des contraintes 30 proportionnelles à l'amplitude du déplacement de la masse principale, ledit déplacement étant lui-même proportionnel à l'amplitude du couple. - la seconde sollicitation mécanique, qui est celle que l'on ne souhaite pas mesurer, est notamment une accélération suivant l'axe X qui induit des déplacements des 3024872 -4- masses dans le plan. La masse principale et la masse intermédiaire sont configurées de telle sorte que leurs déplacements au niveau des points de fixation de la jauge sont de même direction et même amplitude. Ainsi la jauge reliant les deux masses n'est soumise à aucune contrainte en réponse à la seconde 5 sollicitation mécanique. - pour tout autre type de sollicitation mécanique, les masses principale et intermédiaire sont également insensibles, donc aucun signal n'est mesuré par les jauges.
10 Ainsi, la masse principale est configurée pour être la plus sensible aux sollicitations mécaniques à mesurer, de sorte que la variation de résistance (dans le cas d'une jauge piezorésistive) représentative de ces sollicitations mécaniques à mesurer soit la plus importante. La masse intermédiaire est quant à elle configurée pour se déplacer avec la masse principale. En particulier, la masse intermédiaire est configurée pour assurer une 15 variation de résistance quasi nulle en réponse à des déplacements du transducteur suivant l'axe X, tout en autorisant une variation de résistance non nulle des jauges représentative des sollicitations mécaniques hors plan subies par le transducteur. Plus précisément, la masse intermédiaire et les moyens de liaison assurent un 20 déplacement identique, suivant l'axe X, des deux points d'attache de la jauge. La jauge est notamment positionnée de sorte que, lorsque la masse principale subit la deuxième sollicitation mécanique qui induit un déplacement du dispositif dans la direction suivant l'axe X: - le premier point d'attache de la jauge se déplace dans la même direction que le second 25 point d'attache de la jauge, et notamment dans la même direction de déplacement suivant l'axe X que la masse principale en l'absence de la première force; et - l'amplitude de déplacement dans cette direction suivant l'axe X du premier point d'attache de la jauge est sensiblement identique à l'amplitude de déplacement dans cette direction suivant l'axe X du second point d'attache de la jauge.
30 Ainsi, au final, la jauge n'est pas soumise à des contraintes sous l'effet de la deuxième sollicitation mécanique, malgré les déplacements des masses principale et intermédiaire sous l'effet de cette deuxième sollicitation mécanique. 3024872 -5- Sur le même principe, il est possible d'utiliser un résonateur mécanique en lieu et place de la jauge de contraintes piezorésistive, les variations de fréquences de résonances du résonateur changeant en fonction des contraintes qui lui sont appliquées.
5 Selon un mode de réalisation, le dispositif peut en outre comprendre deux ensembles mécaniques de détection, les deux jauges étant soumises à des efforts opposés sous l'effet de la première sollicitation mécanique, telle qu'une force selon un axe Z perpendiculaire au plan du substrat. En d'autres termes, si l'une des jauges subit un effort en tension entre ses deux points d'attache, l'autre jauge subit un effort en compression entre ses deux 10 points d'attache. Ce mode de réalisation permet notamment de réaliser une détection différentielle et d'obtenir ainsi une meilleure précision de mesure. Le positionnement des points d'attache de chaque jauge dépendra notamment des caractéristiques des masses principales et intermédiaires ainsi que des moyens de liaison 15 mis en oeuvre. Tout d'abord, il est avantageux que la masse principale présente un volume supérieur à celui des masses intermédiaires. En pratique, les masses intermédiaires sont contenues dans la masse principale, et le ratio surfacique entre la masse principale et les masses 20 intermédiaire peut être inférieur à un tiers. Par ailleurs, les poids de chacune des masses intermédiaires ainsi que les moyens de liaisons doivent de préférence être adaptés pour garantir une sensibilité optimale aux déplacements suivant l'axe X de la masse principale.
25 Selon une variante, le déplacement de chacune des masses intermédiaires sous l'effet de la deuxième force peut être une rotation dans le plan autour d'un point de pivot défini par les moyens de liaison. Du fait de cet agencement, le point de pivot est fixe par rapport à la masse principale. Par ailleurs, les moyens de liaison mis en oeuvre peuvent être des 30 ressorts agencés de manière à limiter, voire interdire, toute translation des masses intermédiaires perpendiculairement à l'axe de rotation et à n'autoriser que la rotation des masses intermédiaires autour de leur point de pivot respectif sous l'effet d'une accélération suivant l'axe X. 3024872 -6- En outre, dans cette variante, chacune des masses intermédiaires peut présenter deux portions dans la direction de l'axe de rotation de la masse principale, dont les dimensions suivant l'axe X sont différentes. En particulier, l'une de ces portions, dite portion fine, présente une largeur dans la direction de l'axe X inférieure à celle de l'autre portion.
5 Ainsi, le second point d'attache et le point de liaison sont de préférence localisés sur cette portion fine. En d'autres termes, chaque masse intermédiaire présente avantageusement une apparence en forme de rame ayant une zone la plus massive éloignée de son point d'accroche. Une 10 telle forme autorise une imbrication tête-bêche des deux rames afin de limiter la surface occupée par ces masses intermédiaires et la portion la plus large constituant la pelle de la rame permet d'augmenter le poids des masses. Selon une autre variante, le déplacement de chacune des masses intermédiaires sous 15 l'effet de la deuxième force peut être une translation suivant l'axe X. Optionnellement, le dispositif peut comprendre au moins une butée apte à limiter le déplacement de chacune des masses intermédiaires dans la direction suivant l'axe X.
20 Dans tous les cas, il est préférable que les jauges soient fixées sur la masse principale à proximité de son axe de rotation. Diverses configurations sont envisageables. Par exemple, selon une configuration, les deux jauges peuvent être agencées de part et d'autre de l'axe de rotation de la masse 25 principale. Selon une autre configuration, pour chacune des jauges, le premier point d'attache et le second point d'attache peuvent être disposés, suivant l'axe X, de part et d'autre de l'axe de rotation de la masse principale.
30 En outre, il est préférable que la distance suivant l'axe X entre l'axe de rotation de la masse principale et l'un ou l'autre des points d'attache de la jauge soit inférieure à cinq fois la longueur de la jauge, par exemple sensiblement égale à deux fois la longueur de la jauge, par exemple sensiblement inférieure à deux fois l'épaisseur du substrat. 3024872 -7- L'invention est notamment bien adaptée pour la réalisation d'un accéléromètre à détection hors-plan. Dans ce cas particulier, la première sollicitation mécanique est un couple orienté suivant l'axe de rotation résultant d'une accélération suivant Z appliquée au 5 dispositif et la deuxième sollicitation mécanique est une accélération suivant l'axe X appliquée au dispositif En outre, il peut être avantageux de disposer les deux masses intermédiaires selon une symétrie suivant un axe perpendiculaire à l'axe de rotation, par exemple suivant une symétrie axiale suivant l'axe X.
10 L'invention est également bien adaptée pour la réalisation d'un magnétomètre à détection hors-plan. Dans ce cas particulier, la première sollicitation mécanique est un couple orienté suivant l'axe de rotation induite par la présence d'un champ magnétique orienté suivant l'axe Z, et la deuxième sollicitation mécanique est une accélération suivant l'axe X appliquée au dispositif En outre, il peut également être avantageux de disposer les 15 deux masses intermédiaires selon une symétrie suivant un axe perpendiculaire à l'axe de rotation. Par exemple, selon une symétrie centrale autour du centre de gravité de la masse principale. En particulier, dans le cas d'un magnétomètre, la masse principale peut en outre 20 comprendre : - deux régions sensibles de part et d'autre de l'axe de rotation de la masse principale, ces deux régions étant sensibles à la première force ; et - une région intermédiaire entre les deux régions sensibles, cette région intermédiaire étant insensible à la première force et contenant les masses intermédiaires, les zones 25 d'attaches, ainsi que les jauges. En pratique, les deux régions sensibles de la masse principale sont recouvertes d'une couche magnétique pour former un aimant permanent. Bien entendu, le moment magnétique de cet aimant devra être orienté dans une direction qui autorise la rotation de 30 la masse principale autour de son axe de rotation en présence d'un champ magnétique orientée suivant l'axe Z. De préférence, les deux régions sensibles sont l'image l'une de l'autre par symétrie centrale. 3024872 -8- BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés dans 5 lesquels : - la figure 1 est une vue schématique dans le plan du substrat d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention adapté pour la réalisation d'un magnétomètre ; - la figure 2 est une vue schématique dans le plan du substrat d'un dispositif selon 10 un autre mode de réalisation de l'invention également adapté pour la réalisation d'un magnétomètre ; - la figure 3 est une vue schématique dans le plan du substrat d'une masse intermédiaire couplée à une jauge selon une variante de l'invention ; - la figure 4 est une vue schématique dans le plan du substrat d'une masse 15 intermédiaire couplée à une jauge selon une variante de l'invention ; - la figure 5 est une vue schématique dans le plan du substrat d'une masse intermédiaire couplée à une jauge selon une variante de l'invention ; - la figure 6 est une vue schématique dans le plan du substrat d'une masse intermédiaire couplée à une jauge selon une variante de l'invention ; 20 - la figure 7 est une vue schématique dans le plan du substrat d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention adapté pour la réalisation d'un accéléromètre; et - la figure 8 est une vue schématique dans le plan du substrat d'un dispositif selon un autre mode de réalisation de l'invention également adapté pour la réalisation 25 d'un accéléromètre. On notera que dans ces figures, des références identiques sont utilisées pour désigner des éléments identiques ou analogues. Par ailleurs, les différentes structures présentées ne sont pas à l'échelle exacte, et seuls les éléments indispensables à la compréhension de 30 l'invention sont représentés sur ces figures pour des raisons de clarté. 3024872 -9- DESCRIPTION DETAILLEE DE DIFFERENTS MODES DE REALISATION PARTICULIERS Un dispositif micro-électromécanique selon un mode de réalisation adapté à la réalisation d'un magnétomètre à déplacement hors-plan est illustré aux figures 1 et 2.
5 Ce dispositif ou transducteur, généralement réalisé dans un substrat semi-conducteur formé de couches parallèles, comprend notamment une masse principale 1 s'étendant au repos, c'est-à-dire en l'absence de toute force extérieure, parallèlement aux couches du substrat ou à un plan dit « plan du substrat ». Ce plan du substrat est notamment défini par 10 deux axes X et Y perpendiculaires, et sera appelé par la suite plan XY. On entend ainsi par déplacements hors-plan tout déplacement qui n'est pas contenu dans ce plan XY. La masse principale est maintenue en suspension et est rendue mobile en rotation autour d'un axe de rotation 4 parallèle à l'axe Y via deux éléments déformables 31, 32 reliant 15 deux zones d'attaches 11, 12 de la masse principale 1 à au moins une zone d'ancrage fixe 2. Ces éléments déformables 31, 32 sont par exemple des lames de silicium se déformant en torsion sous l'effet de sollicitations hors du plan. On identifie en outre dans la masse principale deux régions appelées « régions sensibles » 20 13, 14 de part et d'autres de l'axe de rotation de la masse principale suivant la direction de l'axe X séparées entre elles par une région intermédiaire 15. Chacune de ces deux régions sensibles 13, 14 est recouverte d'une couche magnétique. En particulier, le moment magnétique de chacune de ces sources de champ magnétique 25 est orienté de manière à provoquer la rotation de la masse principale autour de l'axe de rotation 4 en présence d'un champ magnétique à mesurer orienté suivant un axe Z perpendiculaire au plan XY. Ainsi, lorsque le dispositif est plongé dans le champ magnétique à mesurer, un couple 30 mécanique, fonction notamment du moment magnétique de chacune des sources, de l'amplitude du champ magnétique à mesurer et de l'angle entre le moment magnétique et la direction du champ à mesurer, apparaît, et induit une rotation de la masse principale autour de l'axe de rotation 4 jusqu'à ce que le couple induit et le couple de rappel des ressorts s'égalisent. 3024872 -10- La région intermédiaire 15 contient deux masses intermédiaires 51, 52 sensiblement identiques structurellement, et montées tête-bêche de manière à limiter la surface occupée. Les figures 1 et 2 illustrent deux façons différentes d'agencer les masses 5 intermédiaires entre elles. Comme illustré à la figure 3, chaque masse intermédiaire 51, 52 comprend deux portions dans la direction de l'axe de rotation 4. En particulier, l'une de ces portions, dite portion fine 511, 521, présente une largeur dans la direction de l'axe X inférieure à celle de 10 l'autre portion, dite portion large 512, 522. Ces deux masses intermédiaires 51, 52 sont en outre couplées à des moyens de liaisons 61, 62 et à des jauges 71, 72.
15 Plus précisément, chaque moyen de liaison 61, 62 est solidarisé à la zone d'ancrage fixe 2 et à l'une des masses intermédiaires 51, 52 via un point de liaison 610, 620. Ces moyens de liaisons 61, 62 sont notamment choisis pour autoriser un déplacement des masses intermédiaires 51, 52 dans le plan XY lorsqu'une accélération suivant l'axe X est appliquée au transducteur.
20 Ces moyens de liaison 61, 62 sont choisis et configurés pour autoriser un déplacement en rotation des masses intermédiaires 51, 52 autour d'un point de pivot formé par le point de liaison 610, 620. Selon une variante, ces moyens de liaison 61, 62 peuvent être choisis et configurés pour autoriser un déplacement en translation des masses intermédiaires 51, 52 25 dans la direction de l'axe X. En pratique, le point de liaison 610, 620 est localisé sur la portion fine 511, 521 de la masse intermédiaire 51, 52 correspondante et positionnée de manière à autoriser un maximum de débattement de la portion large 512, 522.
30 Les deux jauges 71, 72, quant à elles, s'étendent perpendiculairement à l'axe de rotation 4. Chacune des jauges 71, 72 est solidarisée à la masse principale 1 via un premier point d'attache 711, 721 et est solidarisée à l'une des masses intermédiaires 51, 52 via un second point d'attache 712, 722. 3024872 -11- Le second point d'attache 712, 722 est localisé et positionné sur la portion fine 511, 521 de la masse intermédiaire 51, 52 correspondante, de sorte que ses déplacements (c'est-à-dire ceux du second point d'attache 712, 722) reflètent ceux du premier point d'attache 5 711, 721. En particulier, les déplacements du premier point d'attache 711, 721 et du second point d'attache 712, 722 d'une même jauge devront être de direction sensiblement identique et d'amplitudes différentes sous l'effet d'un champ magnétique orienté suivant l'axe Z, et de direction sensiblement identique et d'amplitudes sensiblement égales sous l'effet d'une accélération suivant l'axe X.
10 Le positionnement de la jauge se détermine en fonction des calculs théoriques du déplacement sous une accélération selon l'axe X de la masse principale d'une part, et de la masse intermédiaire prise isolément d'autre part, en fonction des caractéristiques de ces masses et de leurs ressorts. Le positionnement optimal est choisi pour une différence 15 minimale de ces déplacements. Dans tous les cas, il est important que les jauges 71, 72 soient fixées sur la masse principale à proximité de l'axe de rotation 4. En particulier, la distance suivant l'axe X entre l'axe de rotation 4 et l'un ou l'autre des points d'attache de la jauge est de 20 préférence inférieure à cinq fois la longueur de la jauge, par exemple sensiblement égale à deux fois la longueur de la jauge. Différentes configurations répondant à ces critères sont possibles. Par exemple, comme illustré aux figures 4 et 5, les deux jauges 71, 72 peuvent être agencées de part et d'autre 25 de l'axe de rotation 4. Le premier point d'attache 711, 721 peut être positionné au plus près de l'axe de rotation 4 par rapport au second point d'attache 712, 722 (figure 4), ou être positionné plus loin de l'axe de rotation 4 par rapport au second point d'attache 712, 722 (figure 5).
30 Selon une autre configuration illustrée à la figure 6, le premier point d'attache 711, 721 et le second point d'attache 712, 722 peuvent être disposés, suivant l'axe X, de part et d'autre de l'axe de rotation 4. 3024872 -12- Un autre dispositif micro-électromécanique selon un autre mode de réalisation adapté à la réalisation d'un accéléromètre à déplacement hors-plan est illustré aux figures 7 et 8. Ce dispositif diffère du dispositif présenté ci-avant par le fait que la masse principale 1 ne contient pas de régions aimantées, et que sa forme a été optimisée pour limiter son 5 encombrement. Ainsi, de façon similaire au dispositif précédent, le dispositif selon cet autre mode de réalisation comprend donc une masse principale 1 ainsi que deux masses intermédiaires 51, 52 contenues dans la masse principale 1.
10 Comme précédemment, la masse principale s'étend dans le plan XY et est mobile en rotation autour de l'axe de rotation 4 parallèle à l'axe Y. Deux éléments déformables 31, 32 relient deux zones d'attaches 11, 12 de la masse principale 1 à au moins une zone d'ancrage fixe 2. Ainsi, une accélération suivant l'axe Z appliquée au dispositif induit une 15 rotation de la masse principale 1 autour de l'axe de rotation 4. Les deux masses intermédiaires 51, 52 sont également sensiblement identiques structurellement, et sont également montées tête-bêche de manière à limiter la surface occupée. Chacune des masses intermédiaires présente notamment une apparence 20 conforme à celle illustrée à la figure 3 et déjà décrite ci-avant. De même, chacune de ces masses intermédiaires 51, 52 est également couplée à une jauge 71, 72 et à un moyen de liaison 61, 62 pour détecter et mesurer un éventuel déplacement parasite de la masse principale dans la direction de l'axe X, due à l'application d'une 25 accélération suivant l'axe X. Tout comme précédemment, chaque moyen de liaison 61, 62 est solidarisé à la zone d'ancrage 2 fixe et à l'une des masses intermédiaires 51, 52 via un point de liaison 610, 620. Ces moyens de liaison sont également choisis pour autoriser un déplacement des 30 masses intermédiaires dans le plan XY lorsqu'une accélération suivant l'axe X est appliquée à la masse principale. 3024872 -13- Par ailleurs, les moyens de liaison 61, 62 peuvent être choisis et configurés pour autoriser un déplacement en translation des masses intermédiaires ou un déplacement en rotation autour du point de liaison localisé sur la portion fine de la masse intermédiaire.
5 De même, les deux jauges 71, 72 s'étendent perpendiculairement à l'axe de rotation 4. Chacune des jauges 71, 72 est solidarisée à la masse principale 1 via un premier point d'attache 711, 721 et est solidarisée à l'une des masses intermédiaires 51, 52 via un second point d'attache 712, 722 localisé sur la portion fine de la masse intermédiaire.
10 Bien entendu, les différents critères de positionnement du second point d'attache ainsi que les différentes configurations de positionnement des jauges présentés ci-avant restent valables pour ce mode de réalisation particulier. Par exemple, pour assurer un déplacement similaire dans la direction X des premier et 15 second points d'attaches de la jauge, la distance suivant l'axe X entre l'axe de rotation Y et l'un ou l'autre des points d'attache de la jauge est de préférence inférieure à cinq fois la longueur de la jauge, par exemple sensiblement égale à deux fois la longueur de la jauge. Dans les modes de réalisation présentés ci-dessus le fonctionnement est sensiblement 20 similaire. Ainsi, en pratique, sous l'effet d'une sollicitation mécanique à mesurer induite par exemple par la présence d'un champ magnétique ou par une accélération suivant l'axe Z, la masse principale se déplace en rotation autour de l'axe de rotation de la masse principale. Cette rotation provoque une déformation opposée des jauges (en tension pour l'une et en compression pour l'autre) et donc des variations de résistance proportionnelles 25 aux contraintes appliquées représentatives de la sollicitation mécanique à mesurer. Par ailleurs, sous l'effet d'une sollicitation mécanique parasite suivant l'axe X, induite notamment par une accélération suivant l'axe X, la masse principale se déplace en translation suivant l'axe X. Simultanément à la translation de la masse principale, chacune des masses intermédiaires se déplace, en rotation ou en translation suivant les 30 moyens de liaison mis en oeuvre, dans le plan XY de manière à suive le mouvement de translation de la masse principale de sorte que chacune des jauges est déplacée sans subir de déformation ou de contrainte représentative de cette sollicitation mécanique parasite. Autrement dit, l'ensemble est configure de sorte que les deux extrémités d'une jauge se déplacent de façon identique suivant l'axe X, en termes de direction et d'amplitude, pour 3024872 -14- limiter toute déformation de la jauge due à des déplacements dans le plan XY du dispositif Ainsi, la variation de la résistance de chacune des jauges de contraintes ne sera fonction que des déplacements en rotation de la masse principale autour de l'axe de rotation et ce malgré la présence de force induisant des déplacements parasites suivant 5 l'axe X. Pour finir, dans les deux modes de réalisations présentés, il est possible de prévoir des butées 8 (une seule butée a été représentée sur les figures) pour limiter le déplacement de chacune des masses intermédiaires suivant l'axe X si cela s'avérait nécessaire.
10 Par ailleurs, bien que des modes de réalisation mettant en oeuvre deux masses intermédiaires aient été présentés ci-dessus pour un fonctionnement en mode différentiel, il est bien évident que la solution de l'invention peut également être mise en oeuvre avec une seule masse intermédiaire et une seule jauge, pour un fonctionnement en mode 15 commun. L'invention présentée permet donc de réaliser des transducteurs de type à détection hors-plan intégrant notamment deux ou trois masses mobiles et sensibles, l'une étant destinée à détecter, via des jauges de contrainte, les déplacement hors-plan induits par une force à 20 mesurer, la ou les autres masses étant destinées à compenser toutes les contraintes exercées par la masse principale sur les jauges consécutivement à ses déplacements dits « dans le plan ».

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif micro-électromécanique réalisé dans un substrat semi-conducteur dont les couches sont parallèles à un plan du substrat, ledit dispositif comprenant : - au moins une zone d'ancrage (2) fixe ; - une masse principale (1) apte à se déplacer en rotation autour d'un axe de rotation (4) parallèle au plan du substrat sous l'effet d'une première sollicitation mécanique, ladite masse principale (1) comprenant deux zones d'attache (11, 12) symétriques par rapport à un axe X parallèle au plan du substrat et perpendiculaire à l'axe de rotation (4) ; 10 - des éléments déformables (31, 32) reliant les deux zones d'attache (11, 12) à la zone d'ancrage (2), et autorisant un déplacement de la masse principale (1) autour de l'axe de rotation (4) ; caractérisé en ,ce qu'il comprend en outre au moins un ensemble mécanique de détection formé : 15 - d'une masse intermédiaire (51, 52) reliée à la zone d'ancrage (2) via des moyens de liaison (61, 62) mécanique, autorisant un déplacement de la masse intermédiaire (51, 52) parallèlement au plan du substrat sous l'effet d'une deuxième sollicitation mécanique induisant un déplacement du dispositif suivant l'axe X ; et - d'une jauge de contraintes (71, 72) s'étendant perpendiculairement à l'axe de rotation 20 (4), ladite jauge étant solidarisée à la masse principale (1) via un premier point d'attache (711, 721) et étant solidarisée à la masse intermédiaire (51, 52) via un second point d'attache (712, 722), les déplacements du premier point d'attache (711, 721) et du second point d'attache (712, 722) étant de directions sensiblement identiques et d'amplitudes différentes sous l'effet de la première sollicitation, et de directions sensiblement 25 identiques et d'amplitudes sensiblement égales sous l'effet de la deuxième sollicitation.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant deux ensembles mécaniques de détection, les jauges des deux ensembles mécaniques de détection étant respectivement soumises à des efforts de tension et de compression sous l'effet de la première 30 sollicitation mécanique.
  3. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque masse intermédiaire (51, 52) présente deux portions dans la direction de l'axe de fotation (4), l'une desdites portions (511, 521), dite portion fine, présentant une largeur dans la direction de l'axe X 3024872 -16- inférieure à celle de l'autre portion (512, 522), le second point d'attache (712, 722) et le point de liaison (610, 620) étant localisés sur cette portion fine (511, 521).
  4. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, dans lequel les masses intermédiaires (51, 52) des deux ensembles mécaniques de détection sont symétriques l'une de l'autre suivant un axe perpendiculaire à l'axe de rotation.
  5. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le déplacement de la ou des masses intermédiaires (51, 52) sous l'effet de la deuxième sollicitation est une 10 rotation autour d'un point de pivot fixe défini par les moyens de liaison (61, 62).
  6. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 4, dans lequel le déplacement de la ou des masses intermédiaires (51, 52) sous l'effet de la deuxième sollicitation est une translation suivant l'axe X. 15
  7. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la masse principale (1) comprend en outre au moins une butée (8) apte à limiter le déplacement de chacune des masses intermédiaires (51, 52) dans la direction suivant l'axe X et/ou l'axe Z. 20
  8. 8. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 7, dans lequel les deux jauges (71, 72) sont de part et d'autre de l'axe de rotation (4).
  9. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel pour chaque jauge (71, 72), le premier point d'attache (711, 721) et le second point d'attache (712, 722) sont 25 disposés, suivant l'axe X, de part et d'autre de l'axe de rotation (4).
  10. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel pour chaque jauge (71, 72), la distance suivant l'axe X entre le premier point d'attache (711, 721) et l'axe de rotation (4) est sensiblement égale à deux fois la longueur de la jauge. 30
  11. 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel pour chaque masse intermédiaire (51, 52), la distance suivant l'axe X entre l'axe de rotation (4) et l'un ou l'autre des points d'attache de la jauge est sensiblement inférieure à deux fois l'épaisseur' du substrat. 3024872 -17-
  12. 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel : - la première sollicitation résulte d'une accélération suivant l'axe Z ou d'un champ magnétique suivant l'axe Z ; et - la deuxième sollicitation résulte d'une accélération suivant l'axe X.
  13. 13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel la masse principale (1) comprend-: - deux régions sensibles (13,
  14. 14) de part et d'autre de l'axe de rotation (4), lesdites deux régions étant sensibles à la première force ; et 10 - une région intermédiaire (15) entre les deux régions sensibles (13, 14), ladite région intermédiaire étant insensible à la première sollicitation et contenant les deux zones d'attaches (11, 12) et les premiers points d'attache (711, 721) des jauges (71, 72). 14. Dispositif selon la revendication 13, dans lequel les deux régions sensibles (13, 14) 15 sont l'image l'une de l'autre par symétrie centrale.
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