FR2733321A1 - DETECTOR UNIT OF INERTIA - Google Patents
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Abstract
La présente invention présente une unité de détecteur d'inertie comprenant des premier et second éléments plans supportant des détecteurs d'inertie respectifs. Ladite unité de détecteur d'inertie est caractérisée en ce que les éléments plans (1, 1') sont fourrés avec des formations de surface (8, 10, 11) destinées à s'engager les unes avec les autres et à maintenir les éléments plans dans une position angulaire les uns par rapport aux autres.The present invention presents an inertia detector unit comprising first and second planar members supporting respective inertia detectors. Said inertia detector unit is characterized in that the planar elements (1, 1 ') are cored with surface formations (8, 10, 11) intended to engage with each other and to hold the elements. planes in an angular position relative to each other.
Description
DESCRIPTIONDESCRIPTION
La présente invention concerne des unités de détecteurs d'inertie du type comprenant des premier et second éléments plans supportant des détecteurs inertiels respectifs. The present invention relates to inertial sensor units of the type comprising first and second planar elements supporting respective inertial detectors.
On sait micro-usiner des dispositifs de détection d'inertie semi- It is known to micro-machine semi-inertial detection devices
conducteurs à partir de pièces monolithes fabriquées dans une matière telle que du silicium. Ces dispositifs de détection peuvent avoir la forme de "diapasons" oscillants présentant une résonnance décelable lorsqu'ils sont soumis à des accélérations de rotation (une forme de gyroscope semi-conducteur) ou de masses en porte-à-faux en "spatule" présentant des déplacements décelables lorsqu'ils sont soumis à des accélérations de translation (une forme d'accéléromètre semi-conducteur). Les pièces de matière dans lesquelles ces dispositifs sont micro-usinés sont également connues pour être traitées de manière à incorporer les dispositifs d'entraînement, de détection, de traitement et de signalisation électriques numériques et / ou analogiques intégrés nécessaires pour faire de ces pièces, en phase finale, des dispositifs de détection conductors from monolithic parts made of a material such as silicon. These detection devices may be in the form of oscillating tuning forks having a detectable resonance when they are subjected to rotational accelerations (a semiconductor gyroscope shape) or cantilevered "spatula" masses presenting detectable displacements when they are subjected to translational accelerations (a form of semiconductor accelerometer). Parts of material in which these devices are micromachined are also known to be processed to incorporate the integrated digital and / or analog electrical drive, detection, processing and signaling devices necessary to make these parts, in the final phase, detection devices
d'inertie semi-conducteurs actifs ou "puces". active semiconductor inertia or "chips".
Les dispositifs précédemment décrits sont micro-usinés à partir de pièces de matière planes essentiellement bidimensionnelles, de sorte que leur diapasons et spatules résultants se trouvent dans le plan de la matière. Puisque le gyroscope en diapason résultant détecte la rotation autour de son axe de symétrie et puisque l'accéléromètre en spatule résultant détecte l'accélération normale par rapport à son plan de symétrie, un arrangement de ces dispositifs micro-usinés à partir d'une pièce plane de matière est typiquement incapable de détecter des rotations autour de plus de deux The previously described devices are micro-machined from essentially two-dimensional planar pieces of material, so that their resulting tuning forks and spatulas are in the plane of the material. Since the resulting tuning fork gyro detects rotation around its axis of symmetry and since the resulting spatula accelerometer detects normal acceleration relative to its plane of symmetry, an arrangement of these micro-machined devices from a workpiece material plane is typically unable to detect rotations around more than two
axes ou des accélérations dans plus d'un. axes or accelerations in more than one.
Afin de détecter des rotations autour de trois axes orthogonaux, deux dispositifs plans de ce type sont assemblés dans une forme tridimensionnelle. Afin de détecter les accélérations dans trois axes orthogonaux. trois dispositifs sont assemblés de manière similaire. Si des effets d'inertie doivent être mesurés avec précision, les unités doivent être précisément alignées de manière orthogonale. Puisque les dispositifs plans sont petits, il est difficile et coûteux de fabriquer et de maintenir un alignement In order to detect rotations around three orthogonal axes, two planar devices of this type are assembled in a three-dimensional shape. To detect accelerations in three orthogonal axes. three devices are assembled in a similar way. If inertial effects must be accurately measured, the units must be precisely aligned orthogonally. Since flat devices are small, it is difficult and expensive to build and maintain alignment
orthogonal précis durant l'assemblage. accurate orthogonal during assembly.
Un objet de la présente invention est de fournir une unité de détecteur An object of the present invention is to provide a detector unit
d'inertie améliorée et une méthode de fabrication. improved inertia and a method of manufacture.
Un aspect de la présente invention fournit une unité de détecteur d'inertie du type précédemment décrit, caractérisée en ce que les éléments plans sont formés avec des formations de surface destinées à s'engager les unes avec les autres et à maintenir les éléments plans dans une position ou une relation angulaire donnée ou One aspect of the present invention provides an inertia detector unit of the type previously described, characterized in that the planar members are formed with surface formations for engaging with one another and maintaining the planar elements in a given angular position or relationship
déterminée l'un par rapport à l'autre ou les uns par rapport aux autres. determined relative to one another or to each other.
Les éléments plans sont de préférence assemblés selon un arrangement orthogonal. Les formations de surface peuvent être situées vers un bord ou une arête des éléments plans et peuvent être fournies par des projections et des évidements alternés le long d'une arête ou d'un bord de chaque élément plan. Les formations de surface dans au moin l'un des éléments plans peuvent être fournies par au moins une ouverture dans The planar elements are preferably assembled in an orthogonal arrangement. The surface formations may be located to an edge or edge of the planar members and may be provided by alternating projections and recesses along an edge or edge of each planar member. The surface formations in at least one of the planar elements may be provided by at least one opening in
l'élément plan.the plane element.
L'unité comprend de préférence trois éléments plans assemblés de manière orthogonale les uns avec les autres par engagement ou venue en prise mutuelle des formations de surface. Les détecteurs sont de préférence des détecteurs d'inertie vibrants semi-conducteurs ou à semi- conduction et chaque élément plan peut inclure deux détecteurs d'inertie disposés à angles droits l'un par rapport à l'autre. Les détecteurs peuvent inclure un détecteur d'accélération. Les détecteurs sont de préférence fabriqués ou usinés à partir de la matière des éléments plans. Les éléments plans The unit preferably comprises three plane elements orthogonally connected to one another by engagement or mutual engagement of the surface formations. The detectors are preferably semiconductor or semi-conductive vibrating inertia detectors and each planar element may include two inertia detectors arranged at right angles to one another. Detectors may include an acceleration sensor. The detectors are preferably manufactured or machined from the material of the planar elements. The flat elements
peuvent également supporter des dispositifs électroniques associés pour les détecteurs. can also support associated electronic devices for detectors.
Les éléments plans peuvent être interconnectés de manière électrique les uns avec les autres en des points ou des emplacements adjacents à une ligne d'intersection des The planar elements may be electrically interconnected with each other at points or locations adjacent to a line of intersection of the
éléments plans.flat elements.
Une unité de détecteur d'inertie selon la présente invention va à présent être décrite en détail sous forme d'exemple, en référence aux dessins en annexe dans lesquels: la figure 1 est une vue à plat d'une puce de détection avec des formes de jointure à arêtes engagées par chevauchement; la figure 2 est une vue à plat d'une puce présentant plusieurs détecteurs et des formations de jointure à mortaise et tenon; la figure 3 est une vue en perspective d'une unité de trois puces de détection représentées sur la figure 1; la figure 4 est une vue en perspective éclatée d'une unité de trois puces de détection représentées sur la figure 2; la figure 5a est une vue en perspective d'une unité de six puces de détection représentées sur la figure 2; la figure 5b est une vue en perspective d'une puce de support de plinthe destinée à monter l'unité représentée sur la figure 5a; la figure 5c est une vue en perspective de l'unité représentée sur la figure 5a montée sur la puce de support représentée sur la figure 5b; la figure 6 est une vue en perspective éclatée du joint entre les puces de détection représentées sur la figure 1; la figure 7 est une vue en coupe d'une connexion électrique entre deux puces de détection; la figure 8 est une vue en perspective d'une connexion électrique alternative entre deux puces de détection; la figure 9a est une vue en perspective éclatée avant montage de la forme de jointure de deux puces de détection représentées sur la figure 2; la figure 9b est une vue en perspective éclatée du joint complet entre les deux puces de détection représentées sur la figure 9a; la figure 10a est une vue en perspective éclatée d'un arrangement alternatif d'une forme de jointure avec des connecteurs électriques de la puce de détection représentée sur la figure 1 avant montage; la figure lO0b est une vue en perspective éclatée du joint complet entre deux puces de détection représentées sur la figure 1Oa; la figure 1 la est une vue en perspective éclatée de deux puces de détection verrouillées du type représenté sur la figure 1; la figure 1 lb est une vue en perspective éclatée d'un composant de connexion électrique destiné à joindre les puces de détection verrouillées représentées sur la figure 1 la; et la figure 1 lc est une vue en perspective éclatée du joint complet entre les deux puces de détection verrouillées représentées sur la figure 1 la, connectées de manière électrique par le composant de connexion représenté sur la figure 1 lb. En référence à la figure 1, on voit une puce en silicium plane 1 An inertial sensor unit according to the present invention will now be described in detail by way of example, with reference to the accompanying drawings in which: FIG. 1 is a flat view of a detection chip with shapes jointing with overlapped edges; Figure 2 is a plan view of a chip having a plurality of detectors and mortise and tenon join formations; Figure 3 is a perspective view of a unit of three sensor chips shown in Figure 1; Figure 4 is an exploded perspective view of a unit of three sensor chips shown in Figure 2; Figure 5a is a perspective view of a unit of six sensor chips shown in Figure 2; Fig. 5b is a perspective view of a plinth support chip for mounting the unit shown in Fig. 5a; Figure 5c is a perspective view of the unit shown in Figure 5a mounted on the support chip shown in Figure 5b; Figure 6 is an exploded perspective view of the seal between the sensor chips shown in Figure 1; Figure 7 is a sectional view of an electrical connection between two detection chips; Figure 8 is a perspective view of an alternative electrical connection between two detection chips; Figure 9a is an exploded perspective view before mounting the joint shape of two sensor chips shown in Figure 2; Figure 9b is an exploded perspective view of the complete seal between the two sensor chips shown in Figure 9a; Fig. 10a is an exploded perspective view of an alternative arrangement of a joint shape with electrical connectors of the sensing chip shown in Fig. 1 prior to mounting; Figure 10b is an exploded perspective view of the complete seal between two sensor chips shown in Figure 10a; Figure 1a is an exploded perspective view of two locked detection chips of the type shown in Figure 1; Fig. 11b is an exploded perspective view of an electrical connection component for joining the locked detection chips shown in Fig. 1a; and Fig. 1c is an exploded perspective view of the complete seal between the two locked detection chips shown in Fig. 1a, electrically connected by the connection component shown in Fig. 1b. With reference to FIG. 1, we see a flat silicon chip 1
incorporant en sa zone centrale un détecteur de vitesse de rotation 2 en diapason micro- incorporating in its central zone a rotational speed detector 2 in micro tuning fork.
usiné de manière intégrée. Le détecteur 2 est sensible aux accélérations de rotation autour d'un axe X parallèle aux bras du diapason et se trouvant dans le plan de vibration. Le détecteur 2 est soumis à des entraîneurs d'excitation 3 et des détecteurs de résonnance connectés par des rails électriques 5 à un dispositif de traitement intégré 6, qui à son tour est relié à des tampons de connexion électrique 7 au niveau de l'arête de la puce. L'arête de la puce a été micro-usinée selon la même technique ou procédé employé pour former le diapason 2 pour creuser les formations de jointure à arêtes engagées par chevauchement 8 au cours de la même opération. Les formes 8 sont une machined in an integrated way. The detector 2 is sensitive to rotation accelerations around an axis X parallel to the arms of the tuning fork and lying in the plane of vibration. The detector 2 is subjected to excitation drivers 3 and resonance detectors connected by electrical rails 5 to an integrated processing device 6, which in turn is connected to electrical connection pads 7 at the edge. of the chip. The edge of the chip has been micro-machined using the same technique or method used to form the tuning fork 2 to dig overlapping engaged edge joining formations 8 during the same operation. 8 forms are a
série de projections et d'évidements rectangulaires le long des arêtes de la puce 1. series of projections and rectangular recesses along the edges of the chip 1.
En se référant à présent à la figure 2, on voit une configuration alternative de puce en silicium plane 1' incorporant un arrangement de détecteurs d'inertie comprenant deux détecteurs de rotation 2' en diapason micro-usinés de manière intégrés disposés à angles droits pour détecter les accélérations de rotation autour des axes X et Y respectivement. La puce 1' inclut également un détecteur d'accélération linéaire 9 en spatule micro-usiné de manière intégrée destiné à détecter les accélérations de translation dans la direction d'un axe Z (non représenté) perpendiculaire au plan du détecteur. À côté de son arête, la puce 1' a été micro-usinée selon le même procédé utilisé pour former les diapasons 2' et la spatule 9 afin de creuser à l'intérieur de son corps des trous en mortaise 10 et sur ses arêtes correspondantes des langues en tenon 11 Referring now to FIG. 2, there is shown an alternative flat silicon chip configuration 1 'incorporating an inertia sensor arrangement comprising two integrally micro-machined pitch detectors 2' arranged at right angles to each other. detect rotational accelerations around the X and Y axes, respectively. Chip 1 'also includes an integrated micro-machined spatula linear acceleration sensor 9 for detecting translation accelerations in the direction of a Z axis (not shown) perpendicular to the detector plane. Next to its edge, the chip 1 'has been micro-machined according to the same method used to form the tuning forks 2' and the spatula 9 in order to dig mortise holes 10 inside its body and on its corresponding edges. tongues 11
faisant saillie, chacune avec des tampons de connexion électrique 7 (Cf. figure 7). protruding, each with electrical connection pads 7 (see Figure 7).
La figure 3 représente une unité de trois puces en silicium planes 1 identiques représentées sur la figure 1, illustrant le verrouillage des formes de jointure 8 à arête engagée par chevauchement de chaque puce afin de créer un dispositif de détection tridimensionnel pouvant détecter les rotations autour des axes orthogonaux X, YetZ. Sur la figure 4, on voit une réalisation alternative de l'invention représentant trois puces en silicium planes 1' de la figure 2, avant montage. Après montage, leur formes de jointure en mortaise et tenon 10 et 11 se verrouillent de manière à créer un dispositif de détection tridimensionnel pouvant fournir une double détection d'accélération de rotation dans chacun des trois axes X, Y et Z grâce à des détecteurs 2' en diapason alignés différemment. L'unité peut également fournir une seule détection d'accélération de translation dans chacun des trois axes identiques X, Y et Z grâce à des détecteurs 9 en spatule. On appréciera que d'autres détecteurs pourraient être intégrés à chaque puce, co- alignés ou différemment orientés, afin d'augmenter encore la multiplicité et / ou la redondance des capacités de détection de FIG. 3 represents a unit of three identical planar silicon chips 1 represented in FIG. 1, illustrating the locking of the overlapping edge-joined edge forms 8 of each chip in order to create a three-dimensional detection device capable of detecting rotations around orthogonal axes X, YetZ. In Figure 4, we see an alternative embodiment of the invention showing three planar silicon chips 1 'of Figure 2, before mounting. After mounting, their mortise and tenon join shapes 10 and 11 lock to create a three-dimensional detection device capable of providing dual rotational acceleration detection in each of the three X, Y and Z axes through detectors 2 'in tuning fork aligned differently. The unit may also provide a single translation acceleration detection in each of the three identical X, Y and Z axes by means of spatula detectors 9. It will be appreciated that other detectors could be integrated with each chip, co-aligned or differently oriented, in order to further increase the multiplicity and / or redundancy of the detection capabilities of
l'unité dans chaque axe.unity in each axis.
La figure 5a représente une unité fermée 12 de six puces en silicium 1' représentées sur la figure 2 fournissant une détection de rotation quadruple et une double détection de translation, dans les trois axes. Une puce de support de plinthe 13 destinée à monter l'unité 12 est représentée sur la figure 5b; celle-ci présente des évidements 14 destinés à recevoir les langues en tenon 11 de l'unité 12, comme le montre la figure 5c. La puce de support 13 présente des tampons de connexion 15 alignés de manière à accepter des connexions électriques avec l'unité 12 et des rails 16 et tampons terminaux 17 configurés de manière à connecter électriquement l'unité Figure 5a shows a closed unit 12 of six silicon chips 1 'shown in Figure 2 providing quadruple rotation detection and double translation detection, in all three axes. A skirting support chip 13 for mounting the unit 12 is shown in Figure 5b; it has recesses 14 for receiving the tongue tongues 11 of the unit 12, as shown in Figure 5c. The support chip 13 has connection pads 15 aligned to accept electrical connections with the unit 12 and rails 16 and terminal pads 17 configured to electrically connect the unit.
complète à d'autres dispositifs électriques (non représentés). complete with other electrical devices (not shown).
La figure 6 représente les formes de jointure appariées de deux puces en silicium 1 représentées sur la figure 1 illustrant la proximité des tampons de connexion électrique 7 dans les formes de jointure 8 de chaque puce 1. Les tampons 7 sur les deux puces pourraient être connectés de manière électrique par une fiche à braser 18, comme FIG. 6 shows the paired join shapes of two silicon chips 1 shown in FIG. 1 illustrating the proximity of the electrical connection pads 7 in the join shapes 8 of each chip 1. The buffers 7 on the two chips could be connected electrically by a solder plug 18, as
le montre la figure 7, ou par haubanage par câbles, comme le montre la figure 8. as shown in Figure 7, or by cable guying, as shown in Figure 8.
La figure 9a représente les formations de surface en mortaise 10 et tenon 11 correspondantes sur deux puces 1' de détecteurs illustrés sur la figure 2. Les tampons de connexion électrique 7 dans les surfaces de jointure en mortaise et tenon sont destinés à entrer en contact l'un avec l'autre lorsque les puces sont appariées. La géométrie de la mortaise 10 et du tenon 11 a une forme en biseau de sorte que, lorsqu'ils sont assemblés comme le montre la figure 9b, une pression de contrainte à ajustement serré résiduelle maintient le contact entre les tampons de connexion électrique FIG. 9a shows the corresponding mortise surface formations 10 and ten on two sensor chips 1 'shown in FIG. 2. The electrical connection pads 7 in the mortise and tenon join surfaces are intended to come into contact with each other. with each other when the chips are matched. The geometry of the mortise 10 and tenon 11 is bevelled so that when assembled as shown in FIG. 9b, a residual tight fit stress maintains contact between the electrical connection pads.
respectifs 7.respective 7.
Sur la figure 1Oa, on voit une forme de jointure à arête engagée par chevauchement de la puce en silicium 1 représentée sur la figure 1 illustrant des tenons 7' électro-conducteurs exposés de manière sacrificielle par le processus de retrait de matière de photo-corrosion utilisé pour générer des formes de jointure à arête engagée FIG. 10A shows an overlapped edge-joined edge shape of the silicon chip 1 shown in FIG. 1 illustrating electrically conductive tenons 7 'exposed sacrificially by the photo-corrosion removal process. used to generate joined-edge join shapes
par chevauchement.overlapping.
Lorsque les deux puces 1 sont assemblées l'une avec l'autre, les tenons 7' sur une puce sont tordus et entrent en contact avec les tampons sur la formation de jointure à arête chevauchée de l'autre puce, comme le montre la figure 1Ob, de sorte que When the two chips 1 are assembled with each other, the pins 7 'on one chip are twisted and come into contact with the pads on the overlapped edge join formation of the other chip, as shown in FIG. 1Ob, so that
les puces sont interconnectées électriquement. the chips are electrically interconnected.
La figure 1 la représente les formes de jointure à arête chevauchée 8 verrouillées et assemblées de deux puces en silicium 1 appariées représentées sur la figure 1, illustrant une réalisation alternative des tampons électro-conducteurs 7 disposés de manière externe et des rails 5. Les tampons 7 sont interconnectés par un composant 20 d'unité électrique supplémentaire comprenant une matière de support non conductrice avec des tenons 7" électro-conducteurs connectés de manière sélective par des rails 5". Les tenons 7" font saillie à angles droits et sont placés de manière à entrer en contact avec les tampons 7 sur les puces 1, comme le montre la figure 1 lc, de sorte FIG. 1a shows the locked and assembled overlapped-edge joint shapes 8 of two paired silicon chips 1 shown in FIG. 1, illustrating an alternative embodiment of the electrically-conductive pads 7 arranged externally and rails 5. The buffers 7 are interconnected by an additional electrical unit component 20 comprising a nonconductive support material with electrically conductive posts 7 "selectively connected by rails 5". The tenons 7 "protrude at right angles and are placed so as to come into contact with the pads 7 on the chips 1, as shown in FIG. 1c, so
que la connexion électrique est établie entre les circuits sur les deux puces. that the electrical connection is established between the circuits on the two chips.
D'autres formes de connexion pourraient être utilisées. Il n'est pas nécessaire que les puces planes soient assemblées de manière orthogonale. Si on le souhaite, elles peuvent être assemblées selon d'autres angles les unes par rapport aux autres. Bien qu'il soit préférable que les détecteurs d'inertie soient formés à partir de la matière des éléments plans eux-mêmes, il serait possible de les former séparément et de les fixer ultérieurement à des panneaux de montage formés avec les formations de Other forms of connection could be used. Flat chips do not have to be orthogonally assembled. If desired, they can be assembled at other angles relative to each other. Although it is preferred that the inertia sensors be formed from the material of the planar elements themselves, it would be possible to separately form them and subsequently attach them to mounting panels formed with the formation formations.
surface en engagement.surface in engagement.
La rigidité et / ou l'intégrité structurelle des unités dépend de la géométrie des formes de jointure et de la nature des connexions électriques. Les techniques traditionnelles de soudage ou d'empotage peuvent être utilisées pour The rigidity and / or structural integrity of the units depends on the geometry of the joint shapes and the nature of the electrical connections. Traditional welding or potting techniques can be used to
améliorer la rigidité de la structure. improve the rigidity of the structure.
Les géométries des détecteurs dans les dispositifs plans peuvent être modifiées durant ou après la formation et avant l'assemblage, de manière à éviter la résonnance de vibration ou d'autres effets de couplage transversal indésirables entre les détecteurs. Detector geometries in the planar devices may be varied during or after formation and prior to assembly, so as to avoid vibration resonance or other undesirable cross-coupling effects between the detectors.
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