Accéléromètre résonant comportant u n résonateur en forme de d iapason équipé de balourds

Domaine techn ique [001] L'invention concerne un accéléromètre résonant qui comporte un résonateur en forme de diapason.

[002] L'invention concerne plus particulièrement un accéléromètre résonant qui est susceptible de mesurer l'intensité d'une accélération selon un axe sensible et qui comporte : - un résonateur en forme de diapason comportant deux bras longitudinaux plats identiques parallèles entre eux qui s'étendent depuis une extrémité encastrée jusqu'à une extrémité libre dans un plan de référence orthogonal à l'axe sensible, les deux bras étant susceptibles d'osciller selon un premier mode de vibration en flexion planaire et selon un premier mode de vibration en torsion autour de leur axe longitudinal, ces deux modes de vibration étant couplés l'un à l'autre et définissant un mode de vibration couplé possédant une fréquence propre de vibration ; et

- des moyens d'actuation qui excitent l'oscillation des bras du résonateur à la fréquence propre de vibration.

[003] La composante d'une accélération selon l'axe sensible provoque une flexion conjointe quasistatique des bras hors du plan de référence, la fréquence propre du résonateur variant linéairement par rapport à l'amplitude de la flèche des bras. [004] Un accéléromètre résonant comporte un résonateur possédant une ou plusieurs fréquences propres de vibration. Lorsque le résonateur est soumis à une accélération selon un axe sensible de mesure, la structure du résonateur est déformée ou contrainte de manière que sa fréquence propre varie proportionnellement à l'intensité de l'accélération mesurée. En d'autres termes, l'accéléromètre résonant répond à un stimulus déterminé, ici l'accélération, par un fort

anisochronisme de fréquence. Ainsi, en mesurant le décalage de la fréquence propre du résonateur par rapport à une fréquence propre de référence, il est possible d'en déduire la composante de l'accélération selon l'axe sensible, son orientation et son intensité pouvant être déterminées par la combinaison de deux ou de trois accéléromètres tout au plus.

Etat de la technique

[005] On connaît déjà [Eernisse E. O. et al., "Survey of Quartz BuIk Resonator Sensors Technologies", IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectronics and Frequency Control, 35, No. 3, May 1988, pp

1994-2003] des accéléromètres comportant un résonateur en forme de double diapason. Les bras du résonateur subissent des contraintes de traction ou de compression longitudinales qui sont induites par l'accélération mesurée. La fréquence propre du mode de vibration en flexion des bras varie proportionnellement à l'intensité de ces contraintes induites, et donc proportionnellement à l'intensité de l'accélération mesurée.

[006] Cependant, la fréquence propre varie de façon non linéaire par rapport à l'intensité de l'accélération, ce qui rend peu commode l'utilisation d'un tel capteur.

[007] II est aussi connu d'équiper certaines montres à quartz d'un résonateur en forme de diapason réalisé en quartz.

[008] Ce résonateur est réalisé en quartz de coupe "X+α °", c'est-à-dire que le substrat du résonateur est pivoté d'un angle "α " (typiquement de 2 à 5°) autour de l'axe électrique X. Les montres équipées de tels résonateurs présentent, du fait de l'anisotropie élastique de cette coupe de quartz (via son coefficient de complaisance S24), un effet de position dû à la gravitation qui peut être gênant.

[009] Dans la montre, le quartz est soumis à un champ électrique de manière à exciter par effet piézoélectrique le premier mode propre de vibration en flexion planaire des bras.

[010] On montre que, du fait de la structure anisotrope du résonateur, les déplacements en flexion planaire d'un bras induisent élastiquement la torsion des bras autour de leur axe longitudinal, définissant un premier mode de vibration en torsion. Ainsi, les mouvements d'oscillation en flexion planaire sont légèrement couplés au premier mode de vibration en torsion des bras, la fréquence de ce dernier étant plus élevée que celle du premier mode de flexion. En d'autres termes, le mode de vibration en torsion est couplé élastiquement et de manière quasistatique au premier mode de vibration en flexion planaire.

[011] Or, lorsque le résonateur est exposé à une accélération selon l'axe sensible orthogonal au plan du résonateur, les bras fléchissent de manière que leur extrémité libre soit hors du plan du résonateur. La fréquence propre du mode de vibration combiné en flexion et en torsion s'en trouve alors légèrement modifiée de l'ordre de 1 ppm

(parties par million ou 10 ^"6 ) pour une accélération d'intensité équivalente à la gravité terrestre "1 g", cette unité sera notée par la suite "ppm/g". On montre que la variation de la fréquence propre est linéairement proportionnelle à l'accélération subie.

[012] Cette propriété est un inconvénient majeur pour un usage en tant que résonateur pour une montre, mais elle rend le résonateur sensible à l'accélération.

[013] Cependant, un tel résonateur est trop peu sensible à l'accélération pour un usage comme accéléromètre.

Divulgation de l'invention

[014] Pour résoudre ces problèmes, l'invention propose un accéléromètre du type décrit précédemment, caractérisé en ce que le couplage est

obtenu de manière cinétique par l'agencement sur chaque bras d'un balourd dont le centre de gravité est décalé par rapport au plan de référence, de façon à induire une torsion des bras lors de leurs oscillations transversales. Le couplage obtenu est ainsi beaucoup plus important et la sensibilité du résonateur à l'accélération est améliorée. [015] Selon d'autres caractéristiques de l'invention :

- un balourd est agencé sous l'extrémité libre de chaque bras ;

- les balourds sont réalisés venus de matière avec les bras ; - les balourds forment des masses sismiques qui favorisent la flexion des bras hors du plan de référence lorsque l'accéléromètre est soumis à une accélération selon son axe sensible ;

- le résonateur est réalisé en un matériau monocristallin ;

- le résonateur est réalisé en silicium et orienté selon les axes <100> ou <110> du réseau cristallin, de manière à présenter des propriétés élastiques orthotropes (c'est-à-dire que la quadrique élastique soit à double symétrie axiale) ; et

- les moyens d'actuation comportent une couche piézoélectrique en nitrure d'aluminium sur une face de chaque bras et excitent le résonateur par effet piézoélectrique inverse.

Brève description des dessins

[016] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés parmi lesquels :

- la figure 1 est une vue en perspective qui représente un résonateur en forme de diapason réalisé selon les enseignements de l'invention ;

- la figure 2 est une vue en perspective qui représente le résonateur de la figure 1 en oscillation selon un premier mode de vibration en flexion planaire non couplé à un mode de vibration en torsion ;

- la figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 1 qui représente le résonateur de la figure 1 en oscillation selon un premier mode de vibration en torsion axiale non couplé à un mode de vibration en flexion ;

- la figure 4 est une vue en perspective qui représente le résonateur de la figure 1 soumis à une accélération selon son axe sensible ; et

- la figure 5 est une vue en bout selon un axe longitudinal qui représente le résonateur de la figure 1 en oscillation selon le premier mode de vibration en flexion planaire couplé avec le premier mode de vibration en torsion. Mode(s) de réalisation de l'invention

[017] Pour la suite de la description on adoptera à titre non limitatif des orientations longitudinale "L" et transversale "T" ainsi qu'un axe sensible "Z" perpendiculaire aux orientations longitudinale et transversale. Ces orientations sont indiquées par le trièdre "L, Z, T" de la figure 1.

[018] Par la suite, des éléments identiques ou analogues seront indiqués par des mêmes numéros de référence.

[019] On a représenté à la figure 1 un accéléromètre résonant 10 qui comporte un résonateur 12 qui est mis en vibration par le biais de moyens d'actuation 14. L'accéléromètre 10 est susceptible de mesurer une accélération suivant l'axe sensible "Z" qui est représenté de manière non limitative selon un axe vertical orienté de bas en haut aux figures.

[020] Le résonateur 12 a la forme d'un diapason qui comporte une base transversale 16 en forme de plaque longitudinale transversale depuis

laquelle s'étendent longitudinalement vers l'avant deux bras parallèles 18. Les bras 18 ont une forme de lame d'axe principal "A" longitudinal. Ils s'étendent dans le même plan que la base 16 et comportent une extrémité arrière 22 encastrée dans la base 16 et une extrémité avant libre 20, supportant des masses d'inertie ou balourds

24, dont le rôle apparaîtra plus loin. Le résonateur 12 s'étend ainsi dans un plan longitudinal transversal de référence "P" qui est orthogonal à l'axe sensible "Z" à l'exception des masses d'inertie qui en sont décentrées. Les bras 18 ont des dimensions identiques. [021] Les bras 18 et la base 16 sont réalisés en une pièce venue de matière, par exemple en silicium, en quartz ou encore en métal. [022] Le résonateur 12 est susceptible de vibrer selon au moins deux modes de vibration. [023] Un premier mode de vibration "M1" en flexion planaire non couplé, possédant une fréquence propre "F1", est représenté à la figure 2.

Lorsque le résonateur 12 est excité à la fréquence propre "F1", les bras 18 oscillent en flexion dans le plan de référence "P" à la manière de poutres encastrées dans la base 16. Ainsi, les extrémités libres 20 des bras 18 se déplacent transversalement par rapport à leur position initiale comme indiqué par les flèches 19.

[024] Ce premier mode de vibration "M1" est évanescent car les bras 18 oscillent en opposition de phase l'un par rapport à l'autre de manière que les moments induits par les oscillations des bras 18 s'annulent mutuellement sur une faible profondeur de pénétration dans la base 16.

[025] Un premier mode de vibration "M2" de torsion sans couplage, possédant une fréquence propre "F2", est représenté à la figure 3.

Lorsque le résonateur 12 est excité à la fréquence propre "F2", les bras 18 oscillent en torsion autour de leur axe longitudinal "A" comme indiqué par les flèches en arc de cercle.

[026] Ce deuxième mode de vibration "M2" est aussi évanescent car les bras 18 oscillent en opposition de phase l'un par rapport à l'autre de manière que les couples induits par les oscillations des bras 18 s'annulent mutuellement sur une faible profondeur de pénétration dans la base 16.

[027] De manière connue, les moyens d'actuation du résonateur 12 peuvent être de type piézoélectrique ou de type électrostatique. [028] Selon une variante avantageuse de l'invention, le résonateur est excité par effet piézoélectrique, par exemple, par l'intermédiaire d'une couche de nitrure d'aluminium, aussi connu sous l'acronyme "AIN", comprise entre deux électrodes. Comme indiqué sur la figure 1 représentant le résonateur 12, le couplage piézoélectrique est réalisé grâce à un dépôt de nitrure d'aluminium dans la région centrale du bras 18, à l'endroit où les déformations d'allongement induites par la flexion planaire des bras 18 sont les plus importantes, soit vers l'intérieure du diapason comme illustré sur la figure 1 , soit vers l'extérieure. Cette zone rectangulaire se prolonge vers l'arrière le long des bras 18 par l'intermédiaire d'une bande mince jusqu'à une zone de connexion sur laquelle peut être soudé un fil de connexion électrique. La couche de nitrure d'aluminium est recouverte d'une couche conductrice (platine, aluminium, AISi ou autre alliage conducteur), couche qui est aussi déposée directement sur le substrat pour former des plots de connexion électrique à ce dernier.

[029] Dans le cas où le silicium formant substrat ne serait pas dopé, il y aurait lieu de prévoir une seconde électrode entre le substrat et la couche de nitrure d'aluminium. Cette seconde électrode est, de préférence, réalisée en platine, matériau se prêtant particulièrement bien à la croissance du nitrure d'aluminium. Une électrode en molybdène pourrait également convenir. [030] Le substrat est par exemple une plaque de silicium 100 dont la face inférieure est en oxyde de silicium. De telles plaques sont appelées

"SOI" de l'anglais Silicium On Insulator, ce qui signifie silicium sur isolant. En pratique, les SOI ont une base en silicium épais comportant une couche mince de Siû2 sur laquelle a été réalisée une couche mince de silicium. [031] Selon une autre variante de l'invention, les moyens d'actuation 14 peuvent aussi être du type électrostatique. Dans ce cas, ils comprendront deux électrodes dont l'une pourra être réalisée sur la face transversale ou longitudinale de l'extrémité libre des bras et l'autre sur un support disposé en regard de la première. Par l'application d'une tension alternative entre les deux électrodes, il est possible de faire osciller les bras. Les tensions requises sont, toutefois, élevées, ce qui rend ce type d'actuation moins attrayant par rapport à la variante piézoélectrique.

[032] Du fait de leur résistance élevée à la rupture et grâce à des procédés d'usinage connus évitant les angles vifs et les amorces de microfissures, l'utilisation de résonateurs en silicium est, notamment par rapport aux diapasons en quartz, particulièrement adaptée pour des accéléromètres dits de choc ou "high shock", qui sont exposés à des accélérations de très forte intensité. [033] Selon les enseignements de l'invention, les deux modes de vibration en flexion planaire "M1" et en torsion "M2" sont couplés cinétiquement (autrement dit par inertie) de manière que l'excitation du mode de vibration en flexion planaire "M1" fait apparaître un contenu de torsion par couplage avec le premier mode de vibration en torsion "M2". Le résonateur 12 comporte ainsi un mode de vibration couplé "M 12", proche de la flexion planaire, mais à une fréquence "F12" inférieure à la fréquence "F1" du mode de flexion non couplé, la fréquence "F2" du mode de torsion non couplé étant supérieure à "F1".

[034] A cet effet, chaque balourd 24 est agencé sous la face inférieure de l'extrémité libre 20 du bras 18 associé. Plus précisément, les balourds

24 forment des volants d'inertie pour le contenu de torsion.

[035] Le centre de gravité "G" de chaque balourd est agencé à la même distance du plan de référence "P", ici au droit de l'axe longitudinal de chaque bras 18 afin que les mouvements de torsion induits par les déplacements des extrémités lors du mode de vibration en flexion planaire "M1" soient identiques pour les deux bras 18. Dans l'exemple représenté aux figures, les balourds 24 sont identiques en masse et en dimensions, et ils sont agencés de manière identique sous chacun des bras 18.

[036] De manière générale, les deux bras équipés de leur balourd 24 ont des moments d'inertie identiques au moins selon leur axe principal

"A".

[037] Lorsque le résonateur 12 n'est soumis à aucune accélération, ses bras 18 sont compris dans le plan de référence "P". Sa fréquence propre "F12" est alors égale à une fréquence propre de référence "F12ref".

[038] Ainsi, comme représenté à la figure 5A, lorsque les bras 18 oscillent en flexion planaire, les extrémités libres 20 des bras 18 se déplacent transversalement dans le plan de référence. Le déplacement transversal du balourd 24 est retardé par la force d'inertie qui s'applique à son centre de gravité "G". Le centre de gravité "G" du balourd 24 étant décalé vers le bas par rapport à la ligne de déplacement des extrémités libres 20, la force d'inertie qui est opposée au déplacement des bras 18 retient le balourd 24 et induit un couple sur le bras 18, provoquant ainsi une rotation de l'extrémité libre 20 du bras 18.

[039] Ainsi, l'extrémité libre 20 de chaque bras 18 est animée d'oscillations transverses selon l'axe T et de rotations autour de l'axe L, en opposition de phase relativement aux deux bras du diapason.

[040] Lorsque le résonateur 12 est soumis à une accélération négative dirigée de haut en bas selon l'axe sensible "Z", comme représenté à la figure 4, les bras 18 fléchissent conjointement vers le bas hors du

plan de référence à la manière de poutres encastrées, les flèches des bras 18 étant identiques. L'extrémité libre 20 des bras 18 est alors agencée au-dessous du plan de référence.

[041] Comme représenté à la figure 5C, on montre que la fréquence propre "F12" du mode de vibration "M12" en flexion planaire couplé en torsion augmente par rapport à la fréquence propre de référence "F12ref" . En effet, la flexion vers le bas des bras, due à la composante négative de l'accélération liée à la torsion des bras oscillant en opposition de phase d'un bras par rapport à l'autre entraine, une diminution de l'excursion transverse selon l'axe T, aussi bien des bras

18 que des masses 24, et par là même une diminution de l'énergie cinétique de l'ensemble, sans pour autant modifier l'énergie élastique et l'énergie libre du système (somme des énergies élastique et cinétique), ce qui se traduit par une augmentation de fréquence proportionnellement à l'inverse de la moitié de la variation d'énergie cinétique, cette dernière étant proportionnelle au carré de la fréquence.

[042] Au contraire, lorsque le résonateur 12 est soumis à une accélération positive dirigée de bas en haut selon l'axe sensible "Z", comme illustré à la figure 5B, les bras 18 fléchissent conjointement vers le haut hors du plan de référence à la manière de poutres encastrées, les flèches des bras 18 étant identiques. L'extrémité libre 20 des bras 18 est alors agencée au-dessus du plan de référence.

[043] On montre que la fréquence propre "F12" du mode de vibration combiné "M12" en flexion planaire couplé en torsion diminue par rapport à la fréquence propre de référence "F12ref" . En effet, la flexion vers le haut des bras, due à la composante positive de l'accélération liée à la torsion des bras oscillant en opposition de phase d'un bras par rapport à l'autre, entraine une augmentation de l'excursion transverse selon l'axe T, aussi bien des bras 18 que des balourds 24, et par là même une augmentation de l'énergie cinétique de

l'ensemble, sans pour autant modifier l'énergie élastique et l'énergie libre du système (somme des énergies élastique et cinétique), ce qui se traduit par une diminution de fréquence proportionnellement à l'inverse de la moitié de la variation d'énergie cinétique, cette dernière étant proportionnelle au carré de la fréquence.

[044] La fréquence propre "F12" du résonateur 12 est ainsi linéairement proportionnelle à l'amplitude de la flèche de l'extrémité libre 20 des bras 18. La fréquence propre "F12" du résonateur 12 varie ainsi linéairement avec l'intensité de l'accélération, l'intensité pouvant être positive ou négative suivant son sens selon la direction de l'axe sensible "Z".

[045] Avantageusement, les balourds 24 sont réalisés en une seule pièce venue de matière avec le résonateur 12. Par exemple, le résonateur 12 est fabriqué par attaque profonde d'une plaque de silicium selon des procédés d'usinage déjà connus.

[046] Le résonateur 12 est ici constitué d'un matériau monocristallin tel que du silicium monocristallin, l'axe principal du diapason étant orienté selon la direction <100> ou <110> d'une plaque (001), de manière à ce que l'élasticité planaire soit orthotrope (c'est-à-dire que la quadrique élastique soit à double symétrie axiale).

[047] Selon une variante de l'invention, le résonateur 12 est réalisé en matériau monocristallin anisotrope tel que du quartz ou du silicium. Le couplage entre le premier mode de vibration en flexion planaire "M1" et le premier mode de vibration en torsion "M2" est alors réalisé à la fois de manière cinétique et élastique.

[048] Les balourds 24 forment avantageusement des masses sismiques qui favorisent la flexion des bras 18 perpendiculairement au plan de référence "P" pour augmenter encore la sensibilité de l'accéléromètre 10.

[049] On montre qu'en première approximation, la sensibilité de la fréquence propre "F12" à l'accélération est indépendante de la largeur transversale des bras 18.

[050] L'accéléromètre 10 équipé d'un résonateur 12 selon l'invention présente une grande sensibilité sur une vaste plage d'intensités d'accélération.

[051] En effet, la sensibilité à l'accélération du résonateur 12 en flexion est fortement amplifiée en remplaçant ou en améliorant le couplage élastique des deux modes de vibration "M1 , M2" par un couplage cinétique (autrement dit, par inertie) équivalent.

[052] Un tel accéléromètre 10 permet par exemple d'atteindre une sensibilité pouvant dépasser 3500 ppm/g dans une plage de fréquences "F12" qui s'étend de 10 kHz à 100 kHz.

[053] De plus, la variation de la fréquence propre "F12" étant linéairement proportionnelle à l'intensité de l'accélération mesurée, l'utilisation de l'accéléromètre n'est pas limitée à une plage restreinte de mesures.

[054] La fréquence propre d'un tel résonateur 12 est susceptible de varier légèrement en fonction de la température. Cependant, le résonateur

12 réalisé selon les enseignements de l'invention est suffisamment sensible à l'accélération pour que la température n'altère pas sensiblement la mesure de l'intensité de l'accélération. Néanmoins, selon l'enseignement de la demande de brevet PCT/EP2007/060641 un diapason découpé dans une plaque SOI comporte des couches externes en oxyde de silicium qui permettent de compenser tout ou partie de la dérive thermique.

[055] De plus, le résonateur 12 proposé présente une structure très résistante aux chocs, qui peut par exemple supporter une accélération selon son axe sensible "Z" d'une intensité de plus de 10000 g et/ou une accélération de la rotation d'une intensité de plus de 7000 g. mm sans que le résonateur 12 ne soit endommagé. De plus, le résonateur

12 est hautement résilient de manière que le résonateur 12 puisse récupérer ses propriétés d'origines après un choc.