EP4728242A1 - Capteur angulaire inertiel à microsystème électromécanique micro-usiné - Google Patents

Abstract

Capteur angulaire (1) comprenant une plaque de support, une masse interne (10) suspendue à des points d'ancrage fixes (17) de la plaque de support et adaptée pour vibrer dans un plan (P), une masse externe (11) encadrant la masse interne (10), couplée à la masse interne (10) et adaptée pour vibrer dans le plan (P) et un cadre externe (5) disposé au-dessus de la plaque de support par rapport à un axe (Z) et encadrant la masse interne (10) et la masse externe (11). Le capteur angulaire (1) comprend en outre un cadre interne (6) disposé entre la masse externe (11) et le cadre externe (5), fixé à la plaque de support par un élément électriquement isolant, la masse externe (11) étant suspendue à des points d'ancrages (15) fixes du cadre interne (6) et étant reliée électriquement au cadre interne (6) par des premiers éléments de suspension (13).

Description

TITRE : Capteur angulaire inertiel à microsystème électromécanique micro-usiné

La présente invention concerne un capteur angulaire inertiel à microsystème électromécanique micro-usiné.

De tels capteurs angulaires sont utilisés pour la mesure d’une position angulaire ou d’une vitesse angulaire. Dans le premier cas, ces capteurs fonctionnent en tant que gyroscopes, et dans le deuxième cas, ils fonctionnent en tant que gyromètres. Ces capteurs sont micro-usinés sur des plaques de silicium ou de quartz, à l’aide de techniques semblables à la fabrication de circuits intégrés. Ceci permet un coût de production faible et donc des domaines d’application variés.

Les capteurs angulaires inertiels comprennent généralement plusieurs masses mobiles vibrantes, reliées élastiquement à un support et élastiquement couplées entre elles grâce à des éléments fonctionnant comme des ressorts. Il est connu d’utiliser des poutres en silicium pour ces éléments. L’ensemble formé par les masses et les éléments fonctionnant comme des ressorts forme un résonateur pouvant avantageusement être mis en vibration sur ses modes propres par des systèmes d’excitation, qui peuvent être des système d’excitation électriques. Cette excitation entraîne une vibration des masses dans le plan de la plaque et perpendiculairement à une direction appelée « axe sensible » du capteur angulaire, qui est donc perpendiculaire au plan de la plaque.

Lorsque le capteur angulaire a une certaine vitesse de rotation autour de l’axe sensible, l’effet Coriolis génère une force qui fait vibrer les masses dans une direction perpendiculaire à la direction d’excitation, toujours dans le plan de la plaque. La mesure de cette vibration permet de déduire la vitesse de rotation.

Comme mentionné précédemment, les masses sont excitées par des systèmes d’excitation électriques. Par exemple, des systèmes à deux masses concentriques, une masse interne et une masse externe entourant la masse interne, sont connus.

Les systèmes électriques sont par exemple des électrodes, et en particulier des électrodes fixes associées à des électrodes mobiles, qui sont par exemple portées directement par les masses.

Les masses sont au même potentiel électrique, car couplées entre elles par des éléments de couplage qui sont souvent en matériau électriquement conducteur. Ce potentiel électrique peut être non nul, dans le cas où une tension électrique est imposée aux électrodes mobiles, par exemple pour faciliter la détection des vibrations.

Les masses sont généralement reliées élastiquement à un support via une couche d’isolant par exemple en oxyde de silicium. La masse extérieure est entourée par un cadre externe qui constitue l’extérieur de la puce en silicium. Ce cadre est mis à un potentiel électrique fixe pour réaliser un blindage de la partie sensible avec des couches de silicium inférieures et supérieures (bulk et capot)

Dans ce cas, une différence de potentiel est imposée entre la masse externe et le cadre, ce qui crée une raideur électrostatique, ce qui entraîne une modification d’une raideur apparente d’un demi-résonateur formé par la masse externe et les éléments la reliant au support. La modification de la raideur apparente du demi-résonateur crée un balourd de raideur qui modifie l’équilibrage du résonateur.

Ce phénomène est aussi appelé « trimming électrostatique » et, s’il peut être utilisé de manière volontaire pour compenser des défauts dans les masses, il crée ici un déséquilibrage de la structure vibrante la rendant notamment sensible aux vibrations externes. A cause de cette modification de la raideur apparente du demi-résonateur, le capteur ne fonctionne plus de manière optimale pour la détermination de la vitesse de rotation.

Il est donc nécessaire d’optimiser le fonctionnement des capteurs, y compris lorsqu’une différence de potentiel électrique existe entre les masses et le cadre entourant la masse externe.

La présente invention a pour objet de résoudre cet inconvénient en proposant un capteur angulaire inertiel insensible à la présence d’une différence de potentiel électrique entre les masses et le cadre externe.

A cet effet, l’invention a pour objet un capteur angulaire inertiel à microsystème électromécanique micro-usiné comprenant :

- une plaque de support ; une masse interne suspendue à des points d’ancrage fixes de la plaque de support et adaptée pour vibrer dans un plan sensiblement parallèle à la plaque de support;

- une masse externe encadrant la masse interne, couplée à la masse interne et adaptée pour vibrer dans le plan sensiblement parallèle à la plaque de support ;

- un cadre externe disposé au-dessus de la plaque de support par rapport à un axe et encadrant la masse interne et la masse externe ; caractérisé en ce que le capteur comprend en outre un cadre interne disposé entre la masse externe et le cadre externe et fixé à la plaque de support par un élément électriquement isolant, la masse externe étant suspendue à des points d’ancrages fixes du cadre interne et étant reliée électriquement au cadre interne par des premiers éléments de suspension. Grâce à l’invention, la masse externe est reliée à un cadre interne fixe qui est isolé électriquement du cadre externe, et donc qui a le même potentiel électrique que les masses internes et externes. Ainsi, il n’y a plus de tension électrique appliquée entre la masse externe et le cadre l’entourant. La raideur apparente, c’est-à-dire la somme des raideurs mécaniques et électrostatiques d’un demi-résonateur externe formé par la masse externe et les premiers éléments de suspension n’est donc pas modifiée lorsqu’une tension électrique est appliquée aux masses. Le capteur n’est donc pas déséquilibré et aucun couplage énergétique avec le support n’est créé lors de la vibration des masses. Autrement dit, le phénomène de « trimming électrostatique » est minimisé, voire éliminé. Le fonctionnement du capteur est donc identique quelle que soit la tension appliquée, et reste optimal quelle que soit la tension appliquée aux masses.

Le capteur peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible :

- La masse interne est suspendue aux points d’ancrage fixes de la plaque de support par des deuxièmes éléments de suspension et la masse externe est couplée à la masse interne par des éléments de couplage.

- Les premiers et deuxièmes éléments de suspension et les éléments de couplage sont des poutres en silicium.

- Le cadre externe est connecté à une masse électrique.

- Des forces mécaniques et/ou électrostatiques s’appliquant sur la masse interne sont sensiblement égales à des forces mécaniques et/ou électrostatiques s’appliquant sur la masse externe.

- Ce capteur comprend en outre au moins une électrode mobile portée par l’une parmi la masse interne et la masse externe, et au moins une électrode fixe, la ou chaque électrode fixe étant fixe par rapport à la plaque de support (4) et en regard de l’une des au moins une électrode mobile.

- Lorsque la masse interne et la masse externe sont au repos, leurs centres de gravité sont confondus, et dans lequel un ensemble constitué par les masses interne et externe et la ou chaque électrode mobile est symétrique par rapport à un premier axe parallèle à la plaque de support, passant par le centre de gravité des deux masses, et par rapport à un deuxième axe parallèle à la plaque de support, perpendiculaire au premier axe (X) et passant par le centre de gravité des deux masses.

- Des forces mécaniques et/ou électrostatiques s’appliquant sur la masse interne selon le premier axe et selon le deuxième axe sont sensiblement égales à des forces mécaniques et/ou électrostatiques s’appliquant sur la masse externe respectivement selon le premier axe et selon le deuxième axe. - Ce capteur comprend en outre :

- quatre électrodes mobiles d’excitation, deux électrodes mobiles d’excitation parmi les quatre étant portées par la masse interne et les deux autres électrodes mobiles d’excitation étant portées par la masse externe ;

- quatre électrodes mobiles de détection, deux électrodes mobiles de détection parmi les quatre étant portées par la masse interne et les deux autres électrodes mobiles de détection étant portées par la masse externe ; et

- huit électrodes fixes, chaque électrode fixe étant fixe par rapport à la plaque de support, et en regard de l’une des huit électrodes mobiles

- Les quatre électrodes d’excitation et/ou les quatre électrodes de détection sont configurées pour être parcourues par une tension continue non nulle et / ou une tension alternative d’amplitude modulée.

- Ce capteur comprend en outre un capot en silicium, recouvrant le cadre externe, le cadre interne, la masse externe et la masse interne.

- Ce capteur comprend en outre une couche électriquement isolante disposée sur des faces du cadre externe en contact respectivement avec le capot et la plaque de support.

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels :

- [Fig 1 ] la figure 1 est une vue schématique de dessus du capteur angulaire inertiel à microsystème électromécanique micro-usiné, selon l’invention ;

- [Fig 2] la figure 2 est une vue en coupe du capteur angulaire inertiel à microsystème électromécanique micro-usiné de la figure 1 ;

- [Fig 3] la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 1 où des éléments additionnels sont visibles.

Sur les figures 1 à 3 est représenté un capteur angulaire inertiel à microsystème électromécanique micro-usiné 1 , appelé par la suite capteur angulaire 1 .

Le capteur angulaire 1 étant micro-usiné, il forme un microsystème électromécanique, aussi appelé MEMS, de l’acronyme anglais « Micro-Electromechanical Systems ».

Le capteur angulaire 1 est par exemple un gyromètre configuré pour mesurer une vitesse angulaire. En variante ou en complément, le capteur angulaire 1 est un gyroscope configuré pour mesurer une position angulaire.

Le capteur angulaire 1 est destiné notamment à être embarqué dans un véhicule, non représenté, qui est par exemple un aéronef, un drone ou un navire, plus particulièrement dans une centrale de navigation, de pilotage ou de guidage du véhicule. Le capteur angulaire 1 est ici un gyromètre de type diapason, plus spécifiquement un gyromètre de type diapason à deux masses vibrantes. Selon une alternative non représentée, le capteur angulaire peut comprendre plus de deux masses vibrantes.

On entend par « masse vibrante » que les deux masses sont aptes à osciller, que ce soit suite à une excitation, ou par effet Coriolis lors d’une rotation du capteur angulaire 1 .

Le capteur angulaire 1 comprend une plaque de support 4, un cadre externe 5, un cadre interne 6, un capot 7, une masse interne 10 et une masse externe 11 .

La plaque de support 4 s’étend parallèlement à un plan P défini par un premier axe X et un deuxième axe Y perpendiculaire au premier axe X, lié à la plaque de support 4. La plaque de support 4 est typiquement fabriquée en silicium, mais peut éventuellement être en verre.

Au-dessus du support 4 par rapport à un axe Z, perpendiculaire au premier axe X et au deuxième axe Y, donc perpendiculaire au plan P, sont disposés le cadre externe 5 et le cadre interne 6.

Un potentiel électrique du cadre externe 5 est maintenu fixe. Avantageusement, le potentiel électrique du cadre externe 5 est maintenu nul, c’est-à-dire que le cadre externe est relié électriquement à une masse électrique. Les cadres externe 5 et interne 6 sont typiquement en matériau électriquement conducteur, par exemple en silicium dopé.

Le capot 7 recouvre le cadre externe 5, le cadre interne 6, la masse interne 10 et la masse externe 1 1 . Avantageusement, le capot 7 est en silicium, mais il peut éventuellement être en verre.

Le cadre externe 5 est séparé du support 4 et du capot 7 par une couche électriquement isolante 8, par exemple en oxyde de silicium. Cette couche électriquement isolante 8 est disposée sur une face du cadre externe 5 en contact avec la plaque de support 4 d’une part, et sur une face du cadre externe 5 en contact avec le capot 7 d’autre part. Cela permet de réaliser un blindage électrique, et ainsi de protéger le capteur angulaire 1 d’ondes électromagnétiques parasites qui pourraient altérer son fonctionnement, voire l’endommager.

Le cadre interne 6 est encadré par le cadre externe 5 et est fixé à la plaque de support 4 par un élément électriquement isolant 9. En variante, le cadre interne 6 est fixé à la fois à la plaque de support 4 et au capot 7. Cet élément électriquement isolant 9 peut être identique à la couche électriquement isolante 8, en particulier l’élément électriquement isolant 9 est d’une matière et d’une épaisseur, mesurée selon l’axe Z, identiques à celles de la couche électriquement isolante 8. De manière avantageuse, la couche électriquement isolante 8 et l’élément électriquement isolant 9 sont tous les deux en oxyde de silicium. Grâce à cet élément électriquement isolant 9, le cadre interne 6 peut être à un potentiel électrique différent du support 4.

Les masses interne 10 et externe 11 sont les masses vibrantes du capteur angulaire 1 . La masse externe 11 est disposée autour de la masse interne 10. Les masses interne et externe 10 et 11 sont encadrées par le cadre interne 6, donc également encadrées par le cadre externe 5. Les masses interne 10 et externe 11 sont par exemple réalisées en silicium, et sont mobiles par rapport à la plaque de support 4, et mobiles l’une par rapport à l’autre.

Les masses interne 10 et externe 11 ont chacune un centre de gravité, qui, lorsque le capteur angulaire 1 est au repos, c’est-à-dire lorsque les masses interne 10 et externe 11 ne vibrent pas, sont sensiblement confondus au point O. Le point O est également le point d’intersection des axes X et Y.

Par « sensiblement », ici et dans le reste du texte, on entend qu’un écart de 10% par rapport à la valeur annoncée est autorisé.

Avantageusement, les masses interne 10 et externe 11 ont sensiblement la même masse.

Les masses interne 10 et externe 11 sont adaptées pour vibrer dans le plan P défini par les axes X et Y. Ainsi, le capteur angulaire 1 a pour axe sensible l’axe Z. Autrement dit, le capteur angulaire 1 est adapté pour mesurer une rotation ou une vitesse de rotation autour de l’axe Z.

Le capteur angulaire 1 comprend en outre des premiers éléments de suspension 13 et des deuxièmes éléments de suspension 14.

Les premiers éléments de suspension 13 relient la masse externe 1 1 au cadre interne 6, plus particulièrement à des points d’ancrage 15 fixes du cadre interne 6.

Ces premiers éléments de suspension 13 sont avantageusement au nombre de 4, comme cela est représenté sur les figures 1 et 3.

Ces premiers éléments de suspension 13 sont assimilés à des ressorts, et peuvent être soit des ressorts, soit, préférentiellement, des poutres, notamment en silicium. Dans le cas où les premiers éléments de suspension 13 sont des poutres en silicium, la masse externe 1 1 et le cadre interne 6 sont reliés entre eux mécaniquement et électriquement. Ils sont notamment au même potentiel électrique.

Les deuxièmes éléments de suspension 14 relient la masse interne 10 à la plaque de support 4, par des points d’ancrage fixes 17 de la plaque de support 4. Ces deuxièmes éléments de suspension 14 sont avantageusement au nombre de quatre, sont avantageusement similaires aux premiers éléments de suspension 13, et sont notamment des poutres en silicium. Une couche d’un matériau isolant électriquement, non représentée, est interposée selon l’axe Z entre les points d’ancrage fixes 17 et la plaque de support 4. Elle est avantageusement similaire à l’élément électriquement isolant 9.

Avantageusement, les premiers et les deuxièmes éléments de suspension 13 et 14 ont des raideurs sensiblement égales.

Les masses interne 10 et externe 11 sont également reliées entre elles par des éléments de couplage 19. Ces éléments de couplage 19 sont avantageusement au nombre de quatre, et sont avantageusement des poutres en silicium, adaptées pour se comporter comme des ressorts. Dans ce dernier cas, les masses interne 10 et externe 11 sont couplées électriquement et mécaniquement entre elles. Elles sont donc notamment au même potentiel électrique. Une raideur électrostatique supplémentaire à une raideur mécanique des éléments de suspension 13, 14 peut être générée si deux surfaces mobiles l’une par rapport à l’autre et reliées à l’un des éléments de suspension 13 ou 14 sont placés dans un champ de potentiel électrique, par exemple crée par deux pièces ayant une différence de potentiel.

Dans le cas présent, les masses interne 10 et externe 11 sont couplées entre elles, la masse externe 1 1 est reliée au cadre interne 6 qui est isolé électriquement de la plaque de support 4 et du cadre externe 5. Ainsi les masses interne 10, externe 1 1 et le cadre interne 6 sont au même potentiel électrique. La tension électrique entre un pourtour de la masse externe 1 1 et un intérieur du cadre interne 6 est donc nulle, et les premiers éléments de suspension 13 ne subissent pas l’apparition d’une raideur électrostatique.

Le capteur angulaire 1 , comme cela est représenté sur la figure 3, comprend en outre des électrodes. Sur la figure 3, huit électrodes mobiles sont représentées, quatre électrodes sur la masse interne 10 et quatre sur la masse externe 1 1 .

Sur la figure 3 sont représentées des électrodes mobiles d’excitation 31 selon l’axe X, des électrodes mobiles d’excitation 32 selon l’axe Y, des électrodes mobiles de détection 33 selon l’axe X et des électrodes mobiles de détection 34 selon l’axe Y. Le positionnement des électrodes mobiles 31 , 32, 33 et 34 peut varier, et en particulier, selon une variante non représentée, l’une, ou les électrodes 31 peuvent être à l’emplacement d’une ou des électrodes 34.

Les électrodes mobiles 31 , 32, 33 et 34 ne sont pas représentées sur la figure 1 , mais elles sont avantageusement présentes comme dans la figure 3. Huit électrodes fixes sont en regard des électrodes mobiles, mais ne sont pas représentées. Les électrodes fixes et mobiles sont formées par exemple par des peignes interdigités. Un couple électrode fixe- électrode mobile forme un transducteur électromécanique.

Les transducteurs électromécaniques dont font partie les électrodes mobiles 31 , 32, 33, 34 sont aptes à convertir une tension électrique en mouvement et/ou inversement. En particulier, les électrodes mobiles d’excitation 31 et 32 sont aptes à générer la vibration des masses interne 10 et externe 1 1 , selon les axes X et Y respectivement, en appliquant des forces électrostatiques à la masse sur laquelle est disposée l’électrode.

Pour cela, une tension alternative est avantageusement appliquée entre les électrodes 31 et 32 et les électrodes fixes desquelles elles sont respectivement en regard. La fréquence de cette tension est sensiblement égale à la fréquence de résonance mécanique des masses interne 10 et externe 11 , dite fréquence diapason. Cela entraîne une vibration des masses interne 10 et externe 11 à cette fréquence.

Les transducteurs électromécaniques dont font partie les électrodes mobiles de détection 33 et 34 sont aptes à détecter la vibration des masses interne 10 et externe 1 1 selon les axes X et Y respectivement. Pour cela, une tension continue, dite tension de polarisation, est avantageusement appliquée entre chaque électrode mobile de détection

33 et 34 et les électrodes fixes desquelles elles sont respectivement en regard. Des variations de charge entre les électrodes mobiles et fixes, dues aux mouvement des masses interne 10 et externe 1 1 sont mesurées et permettent de déduire le mouvement des masses interne 10 et externe 1 1 .

Bien entendu, d’autres électrodes que celles représentées à la figure 3 peuvent être ajoutées sur les masses interne 10 et externe 1 1 , comme par exemple des électrodes de compensation d’un biais en quadrature ou de fréquence.

En pratique, les électrodes et transducteurs utilisés dans les capteurs angulaires inertiels à microsystème électromécanique micro-usinés sont connus en soi et ne sont pas limitatifs. Notamment d’autres positionnements des électrodes et d’autres principes d’excitation et de détection peuvent être utilisés. Par exemple, les électrodes mobiles 31 à

34 peuvent être parcourues par une tension alternative dont l’amplitude est modulée, afin de faciliter la détection des vibrations par les électrodes de détection 33 et 34.

Le capteur angulaire 1 représenté dans les figures 1 à 3 présente une symétrie selon les axes X et Y lorsqu’il est au repos. En particulier, un ensemble constitué des masses interne 10, externe 11 et des électrodes fixes et mobiles 31 à 34 est symétrique par rapport aux axes X et Y, en l’absence de vibration des masses 10 et 11. Cependant, selon une variante non représentée, cet ensemble n’est pas symétrique par rapport aux axes X et Y.

Le fonctionnement du capteur angulaire 1 sera désormais expliqué.

On excite le capteur angulaire, c’est-à-dire qu’une tension d’excitation est appliquée entre les électrodes 31 et 32 et les électrodes fixes desquelles elles sont en regard. La tension d’excitation génère des forces électrostatiques qui mettent en mouvement les masses interne 10 et externe 11 , qui se mettent à vibrer. Comme mentionné précédemment, cette vibration se fait dans le plan P. On note : xï

- Xi = le déplacement en translation de la masse interne 10, de masse Mi yi. dans le plan P ; rxe-i

- Xe = j le déplacement en translation de la masse externe 11 , de masse Me dans le plan P ;

Kxi Kxyi

- Kl = la somme des raideurs associées à un demi-résonateur

Kxyi Kyi interne formé par les deuxièmes éléments de suspension 14 et la masse interne 10 sur les modes de résonance en translation dans le plan P, c’est-à-dire la somme des raideurs mécaniques et des raideurs électrostatiques s’appliquant sur la masse Mi.;

Kxi est la somme des raideurs sur l’axe X des deuxièmes éléments de suspension 14 reliant la masse interne 10 au support 4, de même pour Kyi mais pour l’axe Y ;

Kxyi représente une raideur de couplage entre l’axe X et l’axe Y. La raideur de couplage est associée à une force en quadrature avec le mouvement des masses interne 10 et externe 1 1 .

Kxe Kxye la somme des raideurs associées à un demi-résonateur

Kxye Kye externe formé par les premiers éléments de suspension 13 et la masse externe 1 1 sur les modes de résonance en translation dans le plan P, c’est-à-dire la somme des raideurs mécaniques et des raideurs électrostatiques s’appliquant sur la masse Me ;

F les forces d’excitation. En pratique, d’autres forces peuvent s’appliquer, notamment les forces dues à l’effet Coriolis, lorsque le capteur angulaire est en rotation autour de l’axe Z, ou des forces d’amortissement.

En appliquant le principe fondamental de la dynamique sur le système, on obtient :

Mi. Xi + Ki.Xi = Fi

Me. Xe + Ke. Xe = Fe

Puis en combinant les premiers termes Mi. Xi et Me. Xe :

. .. , , ,y .. .. . (Xi+Xe) , Mi+Me ,y .

Mi. Xi - Me. Xe = (Mi - Me) ¹ ₂ ^J + — - — (Xi - Xe).

Cette équation présente une accélération en phase ^(Xl+Xe associée à la différence de masse entre les masses interne 10 et externe 1 1 , et une accélération en opposition de phase, dite diapason (Xi - Xe) qui est associée à une masse moyenne ^Mt+Me. En combinant les deuxièmes termes, on obtient :

Cette équation présente un mouvement en phase > ^^Xl+^^Xe associée à la différence de raideur demi-résonateurs externe et interne, et un mouvement en opposition de phase (Xi - Xe), qui est associé à une raideur moyenne ^Kl+Xe.

Soit, en combinant les deux équations précédentes :

Dans le cas où la masse des masses interne 10 et externe 1 1 n’est pas sensiblement la même ou dans le cas où la raideur mécanique des premiers éléments de suspension 13 et des seconds éléments de suspension 14 n’est pas sensiblement la même, ou encore, dans le cas où les raideurs électrostatiques qui s’appliquent sur la masse interne 10 et sur la masse externe 1 1 ne sont pas égales, le capteur angulaire 1 est déséquilibré. Dans ce cas, lorsque le capteur angulaire 1 est soumis à des vibrations externes dont la fréquence est sensiblement égale à la fréquence diapason, des modes en phase et en opposition de phase, associés aux mouvement et accélération en phase et en opposition de phase décrits sont excités en même temps, ce qui dégrade le fonctionnement du capteur angulaire 1 .

La somme des raideurs Ke associées au demi-résonateur externe dépend de la raideur mécanique des premiers éléments de suspension 13, mais aussi des tensions électriques appliquées entre le demi-résonateur externe et les électrodes fixes ou le cadre interne 6. De même, la somme des raideurs Ki associées au demi-résonateur interne dépend de la raideur mécanique des deuxièmes éléments de suspension 14, mais aussi des tensions électriques appliquées entre le demi-résonateur externe et les électrodes fixes.

On a vu précédemment qu’avantageusement, les premiers et les deuxièmes éléments de suspension 13 et 14 ont des raideurs mécaniques sensiblement égales. D’autre part, selon l’invention, les éléments de suspension 13 et 14, les masses interne 10, externe 11 , le cadre interne 6 et les éléments de couplage 19 sont tous sensiblement au même potentiel électrique, comme expliqué précédemment. Dans ce cas, la somme des raideurs associées aux deux demi-résonateurs sont donc sensiblement égales, rendant ainsi le fonctionnement du capteur angulaire 1 optimal. Autrement dit, les termes Ki et Ke sont sensiblement égaux, donc le terme associé au mouvement en phase disparaît.

Ainsi, dans le capteur angulaire 1 décrit ci-dessus, des forces mécaniques et/ou électrostatiques liées aux raideurs mécaniques et/ou électrostatiques s’appliquant sur la masse interne 10 selon les premier et deuxième axe X et Y sont sensiblement égales à des forces mécaniques et/ou électrostatiques liées aux raideurs mécaniques et/ou électrostatiques s’appliquant selon respectivement les premier et deuxième axe X et Y sur la masse externe 11 .

Dans le cas où le capteur angulaire 1 ne présente pas de symétrie selon les premier et deuxième axes X et Y, les forces mécaniques et/ou électrostatiques s’appliquant sur la masse interne 10 sont sensiblement égales aux forces mécaniques et/ou électrostatiques s’appliquant sur la masse externe 11 .

Le cadre interne 6 permet ainsi de ne pas créer de raideur électrostatique supplémentaire qu’il faudrait corriger par un ajout d’électrodes supplémentaires qui génèrent des forces électrostatiques venant contrer cette raideur électrostatique.

Lorsqu’une rotation du capteur angulaire 1 a lieu autour de l’axe Z, l’effet Coriolis induit des forces supplémentaires qui génèrent une vibration supplémentaire des masses interne 10 et externe 11 selon les directions X et Y. L’amplitude de cette vibration est proportionnelle à la vitesse de rotation du capteur angulaire 1 autour de l’axe Z. Le mouvement global des masses interne 10 et externe 1 1 est détecté par les transducteurs dont font partie les électrodes de détection 33 et 34. Le traitement du signal ainsi reçu permet par la suite de déduire la vitesse angulaire ou la position angulaire du capteur angulaire 1 .

Ainsi, le cadre interne 6 et la masse externe 1 1 étant sensiblement au même potentiel électrique, il n’y a pas de création de raideur électrostatique qui s’ajoute à la raideur mécanique des premiers éléments de suspension 13. La somme des raideurs associées à la masse interne 10 et la somme des raideurs associées à la masse externe 11 sont donc sensiblement égales. Le capteur angulaire 1 présenté ci-dessus ne voit pas son fonctionnement perturbé par un déséquilibre causé par une différence de raideur. Le capteur angulaire 1 a ainsi un fonctionnement fiable, indépendant de la tension électrique appliquée aux électrodes 31 à 34.

Claims

REVENDICATIONS

1. Capteur angulaire inertiel à microsystème électromécanique micro-usiné (1 ) comprenant :

- une plaque de support (4) ; une masse interne (10) suspendue à des points d’ancrage fixes (17) de la plaque de support (4) et adaptée pour vibrer dans un plan (P) sensiblement parallèle à la plaque de support (4);

- une masse externe (1 1 ) encadrant la masse interne (10), couplée à la masse interne (10) et adaptée pour vibrer dans le plan (P) sensiblement parallèle à la plaque de support (4) ;

- un cadre externe (5) disposé au-dessus de la plaque de support (4) par rapport à un axe (Z), perpendiculaire au plan (P) et encadrant la masse interne (10) et la masse externe (11 ); caractérisé en ce que le capteur angulaire (1 ) comprend en outre un cadre interne (6) disposé entre la masse externe (1 1 ) et le cadre externe (5) et fixé à la plaque de support (4) par un élément électriquement isolant (9), la masse externe (1 1 ) étant suspendue à des points d’ancrages (15) fixes du cadre interne (6) et étant reliée électriquement au cadre interne (6) par des premiers éléments de suspension (13).

2. Capteur angulaire (1 ) selon la revendication 1 , dans lequel la masse interne (10) est suspendue aux points d’ancrage fixes (17) de la plaque de support (4) par des deuxièmes éléments de suspension (14) et la masse externe (11 ) est couplée à la masse interne (10) par des éléments de couplage (19).

3. Capteur angulaire (1 ) selon la revendication 2, dans laquelle les premiers et deuxièmes éléments de suspension (13,14) et les éléments de couplage (19) sont des poutres en silicium.

4. Capteur angulaire (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le cadre externe (5) est connecté à une masse électrique.

5. Capteur angulaire (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre au moins une électrode mobile (31 , 32, 33, 34) portée par l’une parmi la masse interne (10) et la masse externe (11 ), et au moins une électrode fixe, la ou chaque électrode fixe étant fixe par rapport à la plaque de support (4) et en regard de l’une des au moins une électrode mobile (31 , 32, 33, 34).

6. Capteur angulaire (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lorsque la masse interne (10) et la masse externe (1 1 ) sont au repos, leurs centres de gravité sont confondus, et dans lequel un ensemble constitué par les masses interne (10) et externe (11 ) et la ou chaque électrode mobile (31 , 32, 33, 34) est symétrique par rapport à un premier axe (X) parallèle à la plaque de support (4), passant par le centre de gravité des deux masses (10,1 1 ), et par rapport à un deuxième axe (Y) parallèle à la plaque de support (4), perpendiculaire au premier axe (X) et passant par le centre de gravité des deux masses (10,1 1 ).

7. Capteur angulaire (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre :

- quatre électrodes mobiles d’excitation (31 , 32), deux électrodes mobiles d’excitation parmi les quatre étant portées par la masse interne (10) et les deux autres électrodes mobiles d’excitation étant portées par la masse externe (1 1 ) ;

- quatre électrodes mobiles de détection (33, 34), deux électrodes mobiles de détection parmi les quatre étant portées par la masse interne (10) et les deux autres électrodes mobiles de détection étant portées par la masse externe (1 1 ) ; et

- huit électrodes fixes, chaque électrode fixe étant fixe par rapport à la plaque de support (4), et en regard de l’une des huit électrodes mobiles (31 , 32, 33, 34).

8. Capteur angulaire (1 ) selon la revendication 7, dans lequel les quatre électrodes d’excitation (31 , 32) et/ou les quatre électrodes de détection (33, 34) sont configurées pour être parcourues par une tension continue non nulle et / ou une tension alternative d’amplitude modulée.

9. Capteur angulaire (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un capot en silicium (7), recouvrant le cadre externe (5), le cadre interne (6), la masse externe (11 ) et la masse interne (10).

10. Capteur angulaire (1 ) selon la revendication 9, comprenant en outre une couche électriquement isolante (8) disposée sur des faces du cadre externe (5) en contact respectivement avec le capot (7) et la plaque de support (4).