La présente invention concerne un dispositif microélectromécanique constitué au moins en partie par un matériau semi-conducteur piézoélectrique. En particulier, l'invention porte sur un accéléromètre vibrant à hautes performances et destiné à la mesure d'accélérations dans des environnements soumis à des températures élevées et/ou soumis à de fortes accélérations.

Les capteurs microélectromécaniques, ou MEMS (pour Micro-Electro- Mechanical Systems en anglais), ont connu un développement important dans les dernières décennies. Fabriqués à l'aide de techniques empruntées à la microélectronique, ces dispositifs comportent typiquement des éléments mécaniques de dimensions submillimétriques (poutres encastrées, membranes...), ainsi que des actionneurs pour mettre en mouvement des éléments mécaniques et/ou des capteurs pour détecter le mouvement d'éléments mécaniques. Le rôle d'un capteur MEMS est ainsi de délivrer un signal, souvent électrique, lorsqu'une sollicitation extérieure lui est appliquée.

Pour mesurer une accélération, un capteur MEMS comporte généralement une masse d'épreuve supportée par un ou plusieurs éléments flexibles. Cette masse d'épreuve se déplace sous l'effet d'une accélération, cette accélération étant mesurable par ledit capteur MEMS.

Pour disposer d'une bonne sensibilité de ce type de capteur, il est connu de rendre la masse d'épreuve solidaire d'un résonateur pour réaliser un accéléromètre vibrant. Ledit résonateur comprend par exemple une poutre vibrante encastrée d'un coté à un support fixe et de l'autre à la masse d'épreuve qui est mobile par rapport au support. Ladite poutre vibrante présente au moins un axe sensible aux accélérations selon une direction donnée. Le résonateur a la propriété d'osciller selon différents modes de résonance, ces modes de résonance étant caractérisés par un ensemble de fréquences propres. Un tel résonateur peut également comporter des transducteurs permettant un actionnement, et/ou une détection de ces modes de résonance. Lorsque le dispositif est soumis à une accélération, la masse d'épreuve subit une force inertielle. Cette force inertielle a pour effet de créer une contrainte mécanique sur le résonateur. Sous l'effet de cette contrainte mécanique, l'ensemble des fréquences propres de résonance du résonateur sont modifiées. La mesure de la variation de fréquence dudit résonateur permet de déduire la valeur de l'accélération à laquelle est soumis le dispositif.

En particulier, il est connu des accéléromètres vibrants MEMS en silicium ou en quartz. Par exemple, le document R. E. Hopkins, J. T. Borenstein, B. M. Antkowiak, P. A. Ward, R. D. Elliot, M. S. Weinberg, M. D. Depiero, and J. A. Miola, "The Silicon Oscillating Accelerometer : A MEMS Inertial Instrument for Stratégie Missile Guidance," pp. 44-51 , 2000, décrit des accéléromètres comprenant de tels accéléromètres vibrants, et dont le mode de vibration utilisé est le premier mode de flexion.

Cependant, il est bien connu de l'homme de métier que la performance des accéléromètres vibrants MEMS est limitée par plusieurs facteurs. En particulier, le facteur de qualité du résonateur utilisé, l'étendue de mesure de l'accélération mesurable, ou encore la résolution de tels accéléromètres vibrants ne leur permet pas toujours de fournir de bonnes performances dans les environnements sévères. Par « environnements sévères », on comprendra des environnements comportant des températures élevées, notamment 100°C à 500°C, et/ou soumis à de fortes vibrations ou accélérations, notamment 100g à 10000g, où g est l'accélération de pesanteur terrestre égale à 9.81 m/s ² . Par exemple, sous l'effet d'une forte accélération qui génère une contrainte en compression, la poutre que comprend le résonateur peut subir un phénomène de flambage. Une contrainte trop importante peut, en particulier, résulter en une rupture de la poutre, et donc endommager le résonateur.

De plus, les technologies d'accéléromètres vibrants MEMS utilisant des matériaux semi-conducteurs tels que le silicium, soit pour les transducteurs, soit pour une électronique intégrée, sont souvent limitées par leurs températures d'opération. Il faut noter que les technologies à base de Quartz ou Langasites/Langatates sont limitées en miniaturisation par les procédés de fabrication utilisable dans ces filières.

La présente invention vise à résoudre les inconvénients précités en modifiant l'architecture des dispositifs microélectromécaniques connus de l'état de l'art. A cet effet, l'invention propose un dispositif de mesure d'une accélération caractérisé en ce qu'il comporte un accéléromètre vibrant comprenant :

- un substrat constitué d'un matériau semi-conducteur et formant un cadre fixe dudit accéléromètre;

- une masse d'épreuve constituée d'un même matériau que ledit substrat et reliée audit cadre fixe, ladite masse d'épreuve étant apte à se déplacer en translation suivant au moins un axe sensible dudit accéléromètre vibrant;

- des moyens de guidage constitués d'un même matériau que ledit substrat, et reliés audit cadre fixe et à ladite masse d'épreuve, lesdits moyens de guidage étant aptes à guider ladite masse d'épreuve selon la direction dudit au moins un axe sensible;

- une couche constituée d'un matériau semi-conducteur piézoélectrique et déposée sur ledit substrat, ladite couche étant précontrainte en tension;

- un résonateur situé dans ladite couche et relié audit cadre fixe, ledit résonateur étant apte à subir une tension ou une compression selon la direction dudit au moins un axe sensible; et - au moins un transducteur relié audit résonateur, ledit au moins transducteur étant apte à actionner ledit résonateur, à maintenir une oscillation dudit résonateur et/ou à détecter un signal électrique généré par ledit résonateur.

Avantageusement, ledit substrat est une couche active d'un substrat de silicium sur isolant. Avantageusement, ladite couche est réalisée en un matériau différent du substrat, en particulier un matériau nitrure de type lll-N, l'élément du groupe III étant choisi parmi Al, Ga, In, B ou tout alliage de ces éléments, de préférence Ga.

Avantageusement, ledit résonateur comporte une épaisseur comprise entre 0.5 microns et 10 microns.

Avantageusement, ledit transducteur comporte une hétérostructure confinant dans ladite couche au moins un gaz bidimensionnel de porteurs de charge dans une pluralité de régions, ledit au moins un gaz bidimensionnel formant au moins un canal de conduction électrique s'étendant dans ladite couche, ledit au moins un canal de conduction électrique étant connecté électriquement à ladite couche.

Avantageusement, ledit transistor comprenant une pluralité d'électrodes situées sur ladite couche, et connectées électriquement à ladite hétérostructure.

Avantageusement, au moins une desdites électrodes dudit transistor est un contact ohmique. Avantageusement, ledit transducteur comprend une pluralité d'électrodes, au moins deux desdites électrodes étant connectées à ladite couche et/ou à un gaz bidimensionnel de porteurs de charge.

Avantageusement, ledit résonateur comporte une pluralité de peignes inter-digités, lesdits peignes inter-digités étant connectés électriquement audit résonateur et à une pluralité d'électrodes formées sur ledit cadre fixe par une pluralité de pistes, lesdites pistes étant constituées d'un matériau en métal ou en semi-conducteur. Avantageusement, ledit résonateur est encastré sur une partie de son périmètre et présente une forme choisie entre : - une poutre ; - une membrane ; - un disque ; et - une plaque ; Avantageusement, ledit résonateur comporte une cavité acoustique, ladite cavité acoustique comprenant des cristaux phononiques. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement :

- les figures 1 a et 1 b, respectivement, une vue en coupe et une vue en plan d'un accéléromètre vibrant précontraint selon un premier exemple de réalisation de l'invention.

- la figure 2, une vue en plan d'un accéléromètre vibrant précontraint selon un deuxième exemple de réalisation de l'invention.

- la figure 3, une vue en plan d'un accéléromètre vibrant précontraint selon un troisième exemple de réalisation de l'invention.

On remarquera ici que les figures ne sont pas à l'échelle, et que la présente invention ne se limite pas aux modes de réalisation précités.

Selon l'un ou plusieurs des modes de réalisation tels que décrits, l'invention concerne ainsi en particulier un dispositif électromécanique destiné à la mesure d'accélérations, et réalisé à partir d'une couche semi-conductrice piézoélectrique, dite couche nitrure, déposée sur un substrat de silicium. Ledit dispositif comporte une masse d'épreuve définie dans ledit substrat et apte à se déplacer suivant au moins un axe sensible sous l'effet d'une accélération, ainsi qu'un résonateur défini dans ladite couche nitrure et permettant de mesurer ladite accélération. De manière surprenante, les inventeurs ont constaté que la réalisation d'un accéléromètre vibrant comportant une telle couche nitrure précontrainte en tension affecte favorablement les performances d'un accéléromètre vibrant. En particulier, un accéléromètre selon l'un des modes de réalisation de l'invention permet d'obtenir une étendue de mesure, une résolution et un facteur de qualité accrus dans des conditions de fonctionnement variées. De plus, les inventeurs ont constaté que la réalisation d'un accéléromètre vibrant comprenant une couche nitrure, ladite couche nitrure comportant un matériau nitrure de type lll-N, par exemple du nitrure de gallium GaN, permettait de rendre plus précis la mesure d'accélérations en présence d'environnements sévères, notamment en présence de températures comprises entre 100°C et 500°C, et/ou soumis à de fortes vibrations ou accélérations comprises entre 100g et 10000g. Des performances accrues peuvent être obtenues en présence de températures et de pressions élevées. La conception d'accéléromètres vibrants MEMS selon l'un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention tels que décrits ci-après repose, notamment, sur l'empilement de différentes couches constituées de matériaux semiconducteurs.

Les figures 1 a et 1 b montrent, respectivement, une vue en coupe et une vue en plan d'un accéléromètre vibrant 1 selon un premier exemple de réalisation de l'invention, ledit accéléromètre étant sensible aux variations d'accélération le long de la direction donnée par l'axe X. Dans la suite de la description, la direction donnée par l'axe X définira la direction dite de l'axe sensible du dispositif.

Tel que représenté, l'accéléromètre 1 comprend un empilement de couches semi-conductrices. Cet empilement de couches permet de réaliser un dispositif de mesure sensible aux contraintes mécaniques appliquées audit dispositif. Un tel empilement est réalisé à partir d'un substrat Sub composé d'un matériau semi-conducteur, par exemple du silicium Si ou du carbure de silicium SiC. Selon un mode de réalisation de l'invention, le substrat Sub est une couche active d'un substrat de silicium sur isolant (SOI). La couche Sub est gravée de sorte à pouvoir libérer une ou plusieurs couches semi-conductrices au-dessus de Sub. Ledit substrat peut-être gravé de manière physique et/ou chimique. Cette gravure peut être réalisée à partir d'un masque défini par lithographie, et/ou d'étapes de gravures par plasma. Cette gravure permet la libération desdites couches. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte une masse d'épreuve ME réalisée dans le substrat Sub. Ladite masse d'épreuve peut être réalisée par gravure profonde. Ladite masse d'épreuve est configurée pour pouvoir se déplacer en translation suivant au moins un axe sensible dudit accéléromètre vibrant.

Lors de la réalisation du dispositif, la couche Sub permet de libérer au moins une couche Nitl , dite couche nitrure. Selon un mode de réalisation de l'invention, le substrat Sub permet de libérer en particulier une portion de la dite couche nitrure. Selon un mode de réalisation de l'invention, ladite couche nitrure est constituée d'un matériau identique à celui constituant le substrat Sub. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la couche Nit1 comprend un matériau différent de celui constituant le substrat Sub. La couche Nit1 s'étend partiellement au-dessus de la couche Sub et est en contact avec celle-ci. La couche Nit1 présente typiquement une épaisseur de quelques microns (0,5 - 10 microns, et par exemple 2 microns), tandis que la couche Sub est sensiblement plus épaisse (100 - 500 microns, et par exemple 270 microns). Les dimensions de l'élément suspendu dépendent des caractéristiques mécaniques souhaitées de l'accéléromètre vibrant.

La couche Nit1 est une couche constituée d'un matériau semi- conducteur et piézoélectrique. Selon un mode de réalisation de l'invention, la couche Nit1 peut comprendre des nitrures d'éléments III, c'est-à-dire un ou plusieurs matériaux de type lll-N, l'élément du groupe III étant choisi parmi Al, Ga, In, B, ou tout alliage de ces éléments. Selon un mode de réalisation de l'invention, lesdits matériaux peuvent être dopés pour améliorer les performances électroniques du dispositif, en particulier pour réduire sa résistivité électrique, ou encore pour faciliter la réalisation de contacts permettant de connecter électriquement celui-ci au monde extérieur.

Selon un mode de réalisation de l'invention, la couche Nit1 est avantageusement constituée de nitrure de gallium GaN. Les nitrures d'éléments III possèdent la propriété d'être à la fois des matériaux semi-conducteurs et piézoélectriques. On notera qu'un empilement selon un mode de réalisation de l'invention peut également inclure une ou plusieurs couches supplémentaires, lesdites couches comprenant de préférence les éléments précités.

Le dispositif comporte également un cadre fixe C réalisé en un matériau identique à celui composant principalement le substrat Sub et/ou la masse d'épreuve ME. Ledit cadre fixe permet de supporter mécaniquement la couche Nit1 et ses différents éléments, et constitue une partie fixe de l'accéléromètre 1. La masse d'épreuve ME est reliée audit cadre fixe par l'intermédiaire de moyens de guidage (PG1 , PG2, PG3, PG4) aptes à guider ladite masse d'épreuve selon la direction dudit au moins un axe sensible. Sur les figures 1 a et 1 b, le dispositif est caractérisé par un seul axe sensible, dont la direction est parallèle à la direction de l'axe X. Lesdits moyens de guidage sont de préférence constitués d'un même matériau que ledit substrat, et sont reliés audit cadre fixe et à la masse d'épreuve ME. De préférence, lesdits moyens de guidage sont dimensionnés de telle sorte que leur raideur a peu d'impact sur la transmission d'une contrainte mécanique entre ladite masse d'épreuve et les autres éléments que comprend l'accéléromètre vibrant 1.

Lesdits moyens de guidage sont, par exemple, des articulations mobiles permettant à ME de se déplacer par rapport au cadre fixe C et selon la direction de l'axe sensible lorsqu'une contrainte mécanique est appliquée au dispositif, en particulier lorsqu'une contrainte mécanique est appliquée à la masse d'épreuve ME selon la direction de l'axe sensible. Ces moyens de guidage permettent également de limiter les déplacements de la masse d'épreuve ME suivant les directions d'accélération autres que l'axe sensible. Comme représenté sur les figures 1 a et 1 b, un accéléromètre selon un mode de réalisation de l'invention peut comporter, en particulier, quatre poutres de guidage PG1 , PG2, PG3 et PG4 reliant le cadre fixe C à la masse d'épreuve ME. Sur les figures 1 a et 1 b, les poutres PG1 , PG2, PG3 et PG4 permettent également d'assurer un meilleur guidage de ME à proximité des quatre coins de ME suivant la direction de l'axe sensible.

On notera que la position des moyens de guidage n'est pas limitée par la présente description. En particulier, une poutre de guidage peut être reliée à la masse d'épreuve ME plus proche de son centre. Lors de la réalisation du dispositif, les moyens de guidage (PG1 , PG2, PG3, PG4) peuvent éventuellement présenter une déformation initiale.

Comme représenté sur les figures 1 a et 1 b, un résonateur R est réalisé dans la couche nitrure Nit1. Ledit résonateur R peut présenter une forme choisie entre une poutre, une membrane, un disque ou encore une plaque. En particulier dans le présent exemple, le résonateur R est une poutre vibrante rectangulaire P, ladite poutre P étant encastrée d'un coté au cadre C en un ancrage E1 et encastrée de l'autre coté à la masse d'épreuve en un ancrage E2. Selon un mode de réalisation de l'invention, lesdits ancrages E1 et E2 sont deux droites définies par l'intersection des plans de gravure du substrat et de la surface inférieure de la couche Nit1. Selon un mode de réalisation de l'invention, les ancrages E1 et E2 se situent sur les bords du substrat Sub.

Selon un mode de réalisation de l'invention, la couche Nit1 peut comprendre une hétérostructure, ladite hétérostructure comprenant un gaz bidimensionnel de porteurs de charge, qui est situé dans les régions G2DA et G2DD à l'issue du procédé de fabrication. Lesdites régions sont situées dans la partie supérieure de la couche Nit1 et à l'intérieur de celle-ci. Ladite hétérostructure peut, en particulier, former un transistor à effet de champ à haute mobilité électronique HEMT (pour High-electron-mobility transistor en anglais). Ladite hétérostructure permet, notamment, d'effectuer une détection électrique de vibrations mécaniques, et d'amplifier cette détection électrique. Les régions correspondant à ces gaz bidimensionnels de porteurs de charge, dont les contours sont représentés en pointillés sur la figure 1 a, se situent sous le plan visible de ladite couche sur la figure 1 b. Lesdites régions permettent de former au moins un canal de conduction à haute mobilité électronique dans la couche nitrure Nit1. Les propriétés connues en soi des gaz bidimensionnels de porteurs de charge permettent aux porteurs de charge se déplaçant dans lesdites régions de bénéficier d'une mobilité électronique significativement supérieure à celle des porteurs se déplaçant dans les autres parties de la couche Nit1. Il en résulte des performances plus importantes pour un accéléromètre selon l'un des modes de réalisation de l'invention. Comme illustré sur les figures 1 a et 1 b, les régions G2DA et G2DD sont reliées électriquement à la surface du résonateur R par l'intermédiaire d'une électrode COA, ladite électrode traversant partiellement ou complètement la couche Nit1. Selon un mode de réalisation de l'invention, il est possible de réaliser ladite électrode COA sur la couche Nit1 par diffusion et création d'alliages, ladite électrode formant un contact ohmique. Une telle électrode peut être obtenue, d'une manière connue en soi, en déposant du métal sur la surface supérieure de la couche Nitl , puis en chauffant l'ensemble de manière à faciliter la diffusion des atomes métalliques.

Comme représenté sur les figures 1 a et 1 b, un accéléromètre vibrant selon l'un des modes de réalisation de l'invention peut comporter un résonateur R situé dans la couche Nitl , disposé en contact avec le cadre fixe C en l'ancrage E1 et avec la masse vibrante ME en l'ancrage E2. En particulier, un accéléromètre vibrant selon l'un des modes de réalisation de l'invention peut comporter également un transducteur permettant d'actionner le résonateur R, et/ou de détecter un signal électrique émis par celui-ci. En particulier, le résonateur R peut être relié à un ensemble d'éléments électroniques permettant son actionnement et/ou de mesurer au moins une de ses fréquences de résonance. Ledit transducteur peut comporter ainsi une électrode COA, une électrode A, et une région de la couche Nitl confinant un gaz bidimensionnel d'électrons, par exemple la région G2DA. L'intégration de l'électrode A peut se faire au moyen de différentes étapes de fabrication, incluant une ou plusieurs phases de dépôt

Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit résonateur est apte à subir une tension ou une compression selon la direction de l'axe sensible de l'accéléromètre vibrant 1. En particulier ledit résonateur est configuré pour osciller suivant un ensemble de fréquences propres de résonance. Les valeurs de ces fréquences propres dépendent de plusieurs paramètres, en particulier de l'épaisseur de la couche Nitl ou encore la distance séparant les ancrages E1 et E2. Un choix particulier de ces paramètres peut être effectué pour fixer la sensibilité du dispositif 1 pour une mesure plus ou moins précise d'accélérations. Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit résonateur est réalisé dans le même matériau que celui constituant la couche nitrure Nitl . Selon un mode de réalisation de l'invention, le résonateur R présente une longueur comprise typiquement entre 100 et 500 microns, en particulier 390 microns, et une épaisseur comprise typiquement entre 0,5 et 10 microns, en particulier 2 microns.

Lorsque l'accéléromètre 1 subit une accélération suivant un axe sensible, une force d'inertie est appliquée sur la masse d'épreuve ME. La masse d'épreuve ME subit alors un déplacement par rapport au cadre fixe C dans une direction parallèle à celle de l'axe sensible, appliquant à la couche Nit1 , et donc au résonateur R, une contrainte mécanique. Ladite contrainte mécanique peut être une contrainte de compression ou de tension. Sous l'effet de l'application d'une contrainte mécanique, le résonateur R évalue l'accélération correspondante au déplacement de la masse d'épreuve ME. On remarquera que si la contrainte mécanique est une contrainte de compression appliquée par la masse d'épreuve ME sur la couche Nitl , et donc sur le résonateur R, ledit résonateur peut subir un flambage. Ce flambage peut mener à la rupture dudit résonateur. Le flambage et la rupture d'un matériau dépendent de différents paramètres, dont ses propriétés intrinsèques. Pour un résonateur constitué d'une poutre réalisée en un matériau semi-conducteur, la limite de rupture est généralement de l'ordre d'un giga-pascal.

Lorsqu'une contrainte et/ou une précontrainte en compression ou en tension lui est appliquée, le résonateur R voit sa structure se déformer de façon à ce qu'au moins une fréquence propre de résonance le caractérisant varie en fonction de l'accélération correspondante. Ainsi, en mesurant la variation de la fréquence propre du résonateur, il est possible d'en déduire l'intensité et le sens de l'accélération suivant l'axe sensible.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'accéléromètre 1 peut comporter, en outre, un transistor à effet de champ. Ledit transistor à effet de champ permet par exemple de détecter les vibrations du résonateur R, et/ou d'amplifier un signal électrique généré par ledit résonateur. Les électrodes dudit transistor, appelées drain D, source S et grille G, sont réalisées sur la partie supérieure de la couche Nit1. Typiquement, les électrodes S, G et D sont disposées de sorte à être reliées avec la région G2DD confinée dans la couche Nit1.

Les contacts S et D de ce transistor peuvent être réalisés par dépôt d'un métal comme du titane, de l'aluminium. Ce dépôt peut être suivi d'une étape de recuit pour permettre la diffusion des dopants dans le matériau semiconducteur. De préférence, ces étapes sont réalisées de sorte à ce que le ou les contacts formés soient caractérisés par une très faible résistivité. La minimisation de la résistivité électrique de ces contacts permet de faciliter l'injection et/ou l'extraction d'un courant électrique dans le dispositif. Lesdits contacts sont des contacts ohmiques.

L'électrode de grille G, éventuellement constituée d'un matériau différent de celui constituant les contacts S et D, s'étend sur une surface de la couche Nit1. Ladite électrode permet de moduler le passage du courant dans les canaux de conduction des régions G2DD et G2DA. L'électrode G est connectée électriquement à la couche Nit1. L'ensemble de ces électrodes permet, par exemple, d'injecter un courant électrique dans le transducteur. On remarquera que la position des électrodes d'un tel transistor n'est pas limitée par la présente description. En particulier, une disposition des électrodes peut être réalisée de sorte à ce que lesdites électrodes soient connectées à au moins un transistor situé sur la couche Nit1 , mais pas au sur le résonateur R.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'accéléromètre 1 peut comporter un dipôle résistif.

A titre non limitatif, un dipôle résistif de l'accéléromètre 1 peut être formé à partir des électrodes S et D. Par exemple, les électrodes S et D peuvent former les bornes de ce dipôle résistif tandis que l'électrode de grille G n'est pas utilisée.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le dipôle résistif est une résistance variable comprenant une pluralité d'électrodes (D, S) situées sur la couche Nitl , ces électrodes étant connectées électriquement à l'hétérostructure. Avantageusement, la présence d'un dipôle résistif permet de former un transducteur piézorésistif pour réaliser une jauge à résistance variable.

Lorsque l'accéléromètre 1 , le transducteur ou l'un des composants du transducteur comme le résonateur R est soumis à une contrainte, une variation de résistance apparaît aux bornes du dipôle résistif, par exemple aux bornes des électrodes S et D. Cette variation de résistance résulte de la variation de la fréquence d'oscillation du dispositif, par exemple en raison de la contrainte ou d'une variation de résistivité dans l'une des couches du dispositif.

Avantageusement, une mesure précise de la variation de la fréquence d'oscillation du dispositif est réalisable au moyen d'une mesure de la variation de résistance aux bornes du dipôle résistif.

Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit dipôle résistif peut être une résistance variable, par exemple une piézorésistance variable. A titre non limitatif, la valeur de la résistance de ce dipôle résistif peut être supérieure à 50 ohms et inférieure à 10 kilo-ohms.

Selon un mode de réalisation de l'invention, la couche Nit1 est constituée d'un matériau précontraint. Ledit matériau est, en particulier, précontraint en tension sur le substrat Sub. Cette précontrainte peut être obtenue à partir de la réalisation de la couche Nit1 à l'aide d'une croissance par épitaxie à haute température, notamment entre 800 et 1000°C, à partir du substrat Sub. En particulier, la couche Nit1 et la couche Sub peuvent être réalisées en des matériaux comprenant des cristaux caractérisés par un paramètre de maille. En particulier, les matériaux constituants la couche Nit1 et le substrat Sub peuvent être des cristaux ayant un paramètre de maille différent. Ceci a pour effet de créer une précontrainte, ou plus généralement une contrainte, lors de la réalisation de la croissance. Cette contrainte peut, en particulier, être une contrainte en tension. Il convient également de noter qu'une partie d'une contrainte en tension peut résulter du fait que les matériaux constituant la couche Nit1 et la couche Sub possèdent un coefficient de dilatation thermique différent. A la fin de la croissance, une mise à température ambiante du dispositif permet de générer une contrainte en tension, notamment une précontrainte en tension. Avantageusement, la présence d'une précontrainte en tension dans la couche Nit1 permet d'améliorer les performances d'un accéléromètre vibrant. De manière surprenante, les inventeurs ont découvert que la réalisation d'un accéléromètre vibrant comprenant une couche nitrure précontrainte en tension possède de meilleures performances qu'un accéléromètre selon l'état de la technique. En particulier, les inventeurs ont constaté qu'imposer une précontrainte en tension augmente l'étendue de mesure des accélérations mesurées par un tel accéléromètre. Ladite étendue de mesure peut se définir comme la largeur de l'intervalle [-a, +a] des accélérations mesurables comprises entre la plus petite accélération -a mesurable par l'accéléromètre et la plus grande accélération +a mesurable par celui-ci. Avantageusement, l'étendue de mesure d'un accéléromètre selon l'un des modes de réalisation de l'invention, en particulier un accéléromètre comprenant une poutre vibrante avec les mêmes caractéristiques que celles décrites ci-dessus, est de l'ordre de 1 1 15 g en présence d'une précontrainte en tension de 70 Méga Pascals, soit une amélioration de plus d'un facteur 4 de l'étendue de mesure correspondante par rapport à un accéléromètre n'étant pas précontraint. De plus, il est observé que le facteur de qualité d'un tel résonateur précontraint augmente considérablement lorsque la précontrainte appliquée est plus importante. De même, la présence d'une précontrainte en tension dans la couche Nit1 permet de réaliser un accéléromètre présentant une meilleure résolution qu'en l'absence de précontrainte.

Selon l'état de la technique, l'utilisation de matériaux différents pour réaliser le substrat et le résonateur d'un accéléromètre crée des dérives d'origine thermiques susceptibles d'affecter la précision des mesures obtenues. Il est ainsi généralement admis que les performances d'un accéléromètre comprenant des matériaux différents pour former le substrat Sub et la couche nitrure Nit1 sont peu avantageuses. De manière surprenante, les inventeurs ont découvert qu'un accéléromètre caractérisé par un substrat Sub et une couche Nit1 réalisés dans des matériaux différents pouvait toute de même présenter de meilleures performances qu'un accéléromètre où ces matériaux sont identiques, par exemple lorsque la masse d'épreuve ME et le résonateur R sont fabriqués dans un même matériau.

En particulier, ledit substrat peut être constitué de silicium Si ou de carbure de silicium SiC. Selon un mode de réalisation de l'invention, la couche Nit1 peut, en particulier, contenir une couche de SiC. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le substrat Sub peut être une couche active d'un substrat de type silicium sur isolant. De préférence, la couche Nit1 est réalisée en un matériau de type lll-N, l'élément du groupe III pouvant être de l'aluminium Al, du gallium Ga, de l'indium In, du bore B, ou encore un alliage de ces éléments. De préférence, la couche Nit1 est réalisée en GaN. Les inventeurs ont constaté que la réalisation d'un accéléromètre présentant au moins une couche semi-conductrice en GaN permet le fonctionnement d'un accéléromètre vibrant précontraint à de plus hautes températures. De plus, un dispositif comprenant une ou plusieurs couches de GaN permet l'intégration d'une électronique plus résistante aux environnements sévères. En outre, un tel dispositif permet d'intégrer de façon monolithique des transistors d'amplification à proximité de l'accéléromètre. En particulier, on notera que le substrat Sub peut également comporter un ou plusieurs transistors situés sur la masse d'épreuve ME ou à proximité de celle-ci. Ce ou ces transistors ont, typiquement, un canal de conduction situé dans la couche nitrure Nit1 , au moins l'un de ces transistors étant connectés électriquement au résonateur R pour permettre la mesure d'un signal électrique généré par ledit résonateur.

Avantageusement, les caractéristiques décrites précédemment, notamment la présence d'une couche nitrure Nit1 précontrainte, permet au dispositif d'atteindre des étendues de mesures supérieures, et des bandes passantes de mesure plus grandes, comparativement aux dispositifs connus de l'état de la technique. Ces performances améliorées peuvent être décrites à l'aide d'un facteur, le facteur d'échelle K _n , qui caractérise la sensibilité du capteur à une accélération. Cette sensibilité peut être exprimée en fonction de la précontrainte de la couche Nit1 , et en fonction de la fréquence f _n du n-ième mode de flexion, dit également n-ième mode de vibration. Selon les inventeurs, la résolution d'un accéléromètre vibrant est proportionnelle à la quantité ^fn , où Q _n désigne le facteur de qualité de l'accéléromètre vibrant. Ainsi, le facteur de qualité Q _n augmente en présence d'une contrainte. De plus, on remarquera que la résolution d'un accéléromètre vibrant est faiblement modifiée en présence d'une contrainte pour le mode de vibration fondamental, ou en l'absence d'une contrainte pour le mode de vibration fondamental. Cependant, la résolution d'un accéléromètre vibrant augmente fortement en cas d'utilisation des modes de résonance plus élevés. Qui plus est, la réalisation de la masse d'épreuve ME sur toute l'épaisseur du substrat Sub permet d'obtenir une masse importante, liée à une poutre de faible section, ce qui améliore directement la résolution.

L'étendue de mesure d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention est limitée par le flambage, et dépend de la force maximale applicable à la poutre. L'accélération maximale est ainsi mesurable de manière plus avantageuse en présence d'un précontrainte σ ₀ qu'en l'absence de précontrainte, c'est-à-dire lorsque σ ₀ =0. Le module d'Young du nitrure de gallium est plus élevé que celui des matériaux classiques tels que le silicium ou le quartz. Il en découle que l'étendue de mesure d'un dispositif à base de nitrure de gallium est plus grande que celle d'un dispositif à base de silicium ou de quartz. De plus, la présence d'une précontrainte permet d'augmenter considérablement cette étendue de mesure, pouvant atteindre des valeurs 5 à 10 fois plus élevées qu'un dispositif non précontrainte. Des valeurs plus élevées peuvent également être atteintes en fonction des dimensions de la poutre.

Les inventeurs ont ainsi montré qu'en l'absence de toute précontrainte, l'étendue de mesure d'un accéléromètre comprenant pour résonateur une poutre vibrante en GaN de dimensions 390 m x 20 m x 1 .8 m était de l'ordre de 244 g, lorsque ladite poutre était soumise à une précontrainte en tension de 70MPa. Les colonnes du tableau ci-dessous présentent les résultats correspondant aux fréquences f _n (en kHz), aux facteur d'échelle K _n (en Hz par unités de g) et aux étendues de mesure (en unités de g) pour différents modes de vibration d'un dispositif tel que décrit, sans précontrainte et en présence d'une précontrainte égale à 70MPa : avec précontrainte sans précontrainte (σ ₀ =0)

( ₀ =70MPa)

Indice du

1 2 3 1 2 3 mode

f _n (kHz) 82 226 444 173 372 620

K _n (Hz/g) 1 63 222 243 77 135 174

Etendue de

244 1 1 15

mesure (g)

Comme indiqué par ces résultats, la présence d'une précontrainte permet d'atteindre des étendues de mesures supérieures. De plus, les fréquences f _n sont plus élevées lorsque σ ₀ égale 70 MPa plutôt que zéro, ce qui permet d'envisager des bandes passantes de mesure plus grandes. On comprendra que ceci est vrai en général lorsque σ ₀ est non-nul.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'utilisation de matériaux différents et la réalisation d'une précontrainte en tension du matériau composant la couche Nit1 permet donc de réaliser un résonateur R possédant un meilleur facteur de qualité, une plus large étendue de mesure ainsi qu'une résolution accrue vis-à-vis d'accéléromètres issus de l'état de la technique. De plus, il est constaté par les inventeurs qu'une précontrainte en tension du matériau composant la couche nitrure Nit1 permet de prévenir le phénomène de flambage de du résonateur R. En d'autres termes, la valeur de la contrainte mécanique minimale devant être appliquée audit résonateur pour provoquer un flambage de celui-ci est modifiée en une valeur plus avantageuse lorsque la couche Nit1 est initialement précontrainte en tension lors de la réalisation de l'empilement de couches. On notera ici que la présente invention ne se limite pas au cas d'une poutre vibrante. La figure 2 illustre une vue en plan d'un accéléromètre vibrant précontraint selon un deuxième exemple de réalisation de l'invention. En particulier, la présente invention peut se rapporter à un accéléromètre vibrant précontraint en tension, comportant une plaque vibrante PS apte à détecter une accélération selon au moins un axe sensible. Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit accéléromètre vibrant peut comporter des éléments, notamment ladite plaque vibrante, agencés pour détecter une accélération selon un axe sensible, notamment orienté dans la direction X.

Selon un mode de réalisation de l'invention, ladite plaque vibrante est précontrainte en tension. Lorsqu'une contrainte mécanique provoque le déplacement de la masse d'épreuve ME dans le plan formé par la direction X, ce déplacement peut être détecté à l'aide d'un résonateur R pouvant être contraint mécaniquement suivant la même direction X. En particulier, R possède au moins un mode de vibration caractérisé par une fréquence propre pouvant être modifiée sous l'effet d'une déformation suivant la direction X. Selon un mode de réalisation de l'invention, un résonateur R compris dans ladite plaque vibrante est caractérisé par une ou plusieurs fréquences de résonance correspondant aux modes de vibrations de ladite plaque. Lesdits modes de vibrations dits de plaque sont obtenus grâce à différentes conditions aux limites, lesdites conditions aux limites dépendant des dimensions et des formes possibles de la couche Nit1. Le peigne PU est utilisé pour actionner l'accéléromètre vibrant. Les modes de vibration sont détectés à l'aide du peigne inter-digité PI2 localisé sur le résonateur R. D'autres électrodes non représentées sur la figure 2 peuvent également être intégrées afin de définir une masse électrique. Lesdits peignes inter-digités sont reliés à des plots de contact situés sur le cadre fixe C par l'intermédiaire de pistes de métal PM1 et PM2. Lesdites pistes s'étendent au moins partiellement sur des ponts PS1 et PS2 qui sont de préférence constitués du matériau de la couche Nit1. Selon un mode de réalisation de l'invention, les pistes PM1 et PM2 sont disposées sur des portions de la couche Nit1 et rejoignant les plots situés sur le cadre C.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'une des deux électrodes, par exemple l'électrode C2, peut être en contact avec la grille G d'un transistor par l'intermédiaire d'une connexion électrique CC, ledit transistor à effet de champ étant formé par un ensemble d'électrodes (S, G et D) comme décrit précédemment. La figure 3 représente une vue en plan d'un accéléromètre vibrant précontraint en tension selon un troisième exemple de réalisation de l'invention. Comme illustré, ce mode de réalisation de l'invention peut se rapporter à un accéléromètre vibrant précontraint, comportant une plaque vibrante PS apte à détecter une accélération suivant un ou plusieurs axes sensibles. Cet exemple de réalisation comporte un ensemble d'éléments semblables aux modes de réalisation précédemment décrits, en ce compris un résonateur R. De plus, cet exemple de réalisation de l'invention peut comporter un cavité acoustique CA. Ladite cavité acoustique peut, en particulier, être une cavité d'ondes résonnantes formant un espace capacitif. Avantageusement, cet exemple de réalisation permet d'améliorer la sensibilité du résonateur R, et donc de l'accéléromètre vibrant. La cavité acoustique peut aussi, par exemple, être définie par deux cristaux phononiques CP1 et CP2, ainsi que deux séries de peignes interdigités PU et PI2. Ladite cavité acoustique peut être définie par des miroirs acoustiques formés par un réseau de trous situés dans la couche Nit1. En réponse à une accélération le long d'un axe sensible dirigé dans la direction X , la masse d'épreuve ME applique une contrainte mécanique sur la plaque vibrante PS, et modifie les dimensions de ladite cavité. Les fréquences propres de résonance du résonateur R peuvent ainsi varier sous l'effet de ces modifications de dimensions. La variation desdites fréquences propres peut alors être utilisée pour déterminer avec plus grande précision l'accélération à laquelle le dispositif est soumis. De plus, des peignes inter-digités PU et PI2 peuvent se situer sur les bords de la cavité acoustique CA tels que précédemment décrits. Ces caractéristiques permettent d'améliorer la sensibilité et les performances d'un accéléromètre vibrant selon les modes de réalisation de l'invention tels que décrits précédemment.