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version initiale 2002
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dernière mise à jour
22 mars 2013
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Accéléromètres

sixième partie (6/6)

généralités
pour déclencher un airbag
accéléromètre tout silicium
la solution chère
accéléromètre mixte
moins chère
accéléromètre tout pyrex
encore moins chère
capteur optique
de plus en plus simple
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Préambule

Dans le chapitre présentant les grandes tendances technologiques, nous avons introduit l'accéléromètre en tant que vecteur de certaines innovations technologiques destinées à permettre son intégration dans le domaine de l'automobile en tant que détecteur de choc chargé de piloter le déclenchement d'un airbag en cas d'accident. Notons que les innovations technologiques concernées ont bien évidemment depuis été exploitées dans nombre d'autres applications de masse. Dans le présent chapitre nous allons reprendre le concept d'accéléromètre et le décliner selon ses diverses versions.

Généralités.

Un accéléromètre est un dispositif destiné à mesurer l'accélération ou au contraire la décélération d'un mobile, ainsi que les vibrations. Il est typiquement constitué de trois éléments : un bâti solidaire du mobile dont on veut connaître les accélérations, une masse sismique reliée par une lame flexible au bâti support.


Si l'on considère le système triaxial classique, lorsque le mobile est immobile ou qu'il se déplace dans la direction Oz à vitesse constante la surface supérieure de la masse sismique ainsi que la lame flexible restent dans le plan xOy. Si le mobile subit une accélération (selon Oz) la masse sismique en raison de son inertie possède un retard sur le bâti ainsi sa surface supérieure se trouve en dessous du plan xOy et la lame flexible subit une torsion. En cas de freinage c'est le phénomène inverse qui se produit.

Pour mesurer l'accélération il suffit donc d'identifier la position relative de la masse sismique par rapport au plan xOy.
Plusieurs procédés vont être exploités :
soit on place des jauges de contrainte sur la lame flexible et on mesure la déformation,
soit on place une pièce fixe solidaire du bâti parallèlement au plan xOy et l'on constitue avec la surface de la masse sismique un condensateur plan dont on mesure la capacité
soit on intègre un miroir sur la surface de la masse sismique et l'on procède à une mesure optique.
En outre afin d'éviter une déformation irréversible de la lame flexible on disposera de part et d'autre de la masse sismique des butées pour limiter son débatement.

Le développement des nanotechnologies a conduit à la réalisation de ces divers principes en exploitant des matériaux différents. On trouvera ainsi des dispositifs tout silicium, tout verre spécial et mixte verre-silicium.

Nous allons donc expliciter ces principaux systèmes.

accéléromètre tout silicium

C'est typiquement l'accéléromètre à jauges de contrainte réalisé par microgravure. On utilise un wafer de 100µm d'épaisseur dans lequel on va découper l'ensemble du bâti et de la masse sismique. La figure ci-dessous montre les principales étapes de la réalisation.


La première étape consiste à définir des fenêtres sur le surface supérieure et inférieure du wafer dont la géométrie est précisée sur les deux figures 1a et 1b (vue de profil et vue de dessus). Ces zones de silice seront éliminées ultérieurement.

Pour la sculpture en volume du silicium le procédé de gravure exploite le plus souvent l'EDP (ethylène diamine et pyrocatéchol) ou la potasse (KOH) et l'hydrazine (N2H4) qui n'attaquent pas la silice ou le nitrure de silicium. On peut aussi utiliser des masques constitués de film d'or ou de chrome pour protéger les zones à ne pas graver

Pour cela on dépose par épitaxie une couche de 2 ou 3µm d'épaisseur de silicium de type opposé sur le wafer. Cette couche sera conservée et constituera la lame flexible. On sait en effet dorénavant éliminer intégralement la zone n et conserver dans son intégralité la zone p qui la recouvre. Parallèlement on sait évidemment graver la couche de 2µm sur toute son épaisseur.

La seconde étape va donc ajouter une couche de type p par épitaxie sur l'ensemble de la surface supérieure du wafer. Cette couche fera 2 à 3µm d'épaisseur..(fig. 2a)

Dans cette couche épitaxiée on va pouvoir graver sur la totalité de l'épaisseur le contour de la masse sismique (figuré sur la figure 2b). Dans une opération ultérieure on va éliminer la fenêtre inférieure puis exécuter une gravure sur l'ensemble de l'épaisseur du wafer pour définir l'ensemble de la masse sismique (fig.3a).

L'étape suivante va consister à éliminer la couche de silice située dans la zone p ainsi que celle juste en dessous dans la zone n. La masse sismique est ainsi complètement libérée et la silice dissoute dans la zone n va donc libérer un espace permettant à la masse sismique de ce déplacer par rapport au plan horizontal sans dépasser la limite de réversibilité de la déformation grâce à la butée constituée dans la zone p. (fig. 4a)

Enfin la surface inférieure va être soudée à un autre wafer lui aussi légèrement usiné afin de réaliser la butée inférieure. La dernière étape consistera à diffuser ou déposer des jauges de contraintes au niveau de la zone flexible afin de mesurer l'amplitude de la déformation liée à l'accélération. Notons que s'il est aisé d'obtenir les jauges supérieures qui sont dans le plan supérieur du dispositif il n'en est pas de même pour les deux jauges inférieures. Certains constructeurs vont donc préférer placer ces deux jauges sur la surface supérieure mais dans la zone non déformable du bâti (emplacement alternatif fig. 4b). Ainsi le pont de 4 jauges sera réalisé mais bien évidemment la sensibilité de l'ensemble du pont sera réduite.

La figure ci-dessous montre une photo d'un capteur commercialisé. On remarquera que pour améliorer la sensibilité et la linéarité des caractéristiques la masse sismique a une géométrie non rectangulaire et que la zone flexible est réduite à deux bandes étroites (en bas de la figure). On notera sur le pourtour du capteur les connexions, les pistes de liaison ainsi qu'un minimum d'électronique dans le bas.

accéléromètre mixte
Le principe est identique au cas précédent. La différence essentielle est que le second wafer (en vert sur la figure 4a) est remplacé par un substrat de verre de la famille pyrex qui peut aisément se souder sur le silicium, d'une part, et peut très aisément être gravé (pour définir avec précision le débattement de la masse sismique vers le bas). L'intérêt est que lon peut choisir une lame de pyrex de bien plus grande épaisseur ce qui facilitera la manipulation du capteur (lors du montage en situation) puisque ce verre est d'un coût très minime à la différence du silicium.

accéléromètre tout pyrex

L'usinage du pyrex étant très aisé (l'acide fluorhydrique le dissout) certains constructeurs ont imaginé de réaliser l'ensemble du dispositif en pyrex (en 3 couches collées) puisqu'en règle générale les accéléromètres travaillent à des températures modérées (l'application essentielle étant le détecteur de choc embarqué sur une automobile) ce qui rend le collage sans conséquence. Cependant il est alors impossible de diffuser des jauges de contraintes ni même d'en coller (le coefficient de dilatation du verre pyrex étant plus de vingt fois inférieur à celui des métaux un collage sur une lame "souple" est problématique), aussi le transducteur sera t-il alors de type capacitif. Ce qu'on a représenté sur le schéma ci-dessous .


Ainsi qu'on peut le voir aisément les condensateurs C1 et C3 sont invariants tandis que C2 et C4 dont une électrode est solidaire de la masse sismique vont varier avec l'accélération donc la distance entre les deux électrodes se faisant face. Le montage classique en pont est donc exploitable.

Divers fondeurs ont développé des verres spéciaux plus aisés encore que le pyrex à usiner ou à souder. Après avoir été expérimentés pour les accéléromètres on les emploie dorénavant égalent dans de très nombreuses applications de nanotechnologie.

Il est évident que le dispositif tout pyrex coûte beaucoup moins cher à réaliser.

capteur optique

L'une des difficultés de la technologie capacitive est l'obligation de réaliser une liaison conductrice entre les électrodes supportées par la masse sismique mobile et la partie fixe du bâti. Cette liaison passe obligatoirement par la zone flexible et va donc présenter un point de fragilité (ou d'usure prématurée) à cet endroit. C'est pourquoi certains chercheurs ont envisagé la réalisation d'un dispositif optique éliminant ce problème. En effet en déposant une couche métallique d'aluminium ou d'argent sur la surface inférieure ou supérieure de la masse sismique on réalise un miroir. Il suffit alors d'envoyer un pinceau lumineux avec un certain angle d'incidence pour obtenir un pinceau réfléchi se déplaçant avec la masse sismique et donc significativement de l'accélération. En recevant ce faisceau directement sur un capteur CCD on voit qu'il est alors possible de réaliser un accéléromètre fournissant une information codée c'est à dire directement numérique sans la nécessité d'une chaîne instrumentale analogique et d'un convertisseur analogique numérique et donc un capteur exempt de bruit.