FR2561389A1

FR2561389A1 - Detecteur d'inertie a structure plane, utilisable comme gyroscope ou accelerometre

Info

Publication number: FR2561389A1
Application number: FR8503962A
Authority: FR
Inventors: Burton Boxenhorn
Original assignee: Charles Stark Draper Laboratory Inc
Current assignee: Charles Stark Draper Laboratory Inc
Priority date: 1984-03-19
Filing date: 1985-03-18
Publication date: 1985-09-20
Also published as: GB2156523B; JPS60213814A; CA1227059A; US4598585A; JPH073337B2; GB2156523A; DE3509948A1; FR2561389B1; GB8506768D0

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DETECTEUR D'INERTIE A STRUCTURE PLANE, UTILISABLE COMME GYROSCOPE OU ACCELEROMETRE. LE DETECTEUR COMPREND UNE PARTIE 6 EN FORME DE FEUILLE COMPORTANT UN ELEMENT INTERIEUR PLAN 30 PREVU POUR EXECUTER UN MOUVEMENT ANGULAIRE LIMITE AUTOUR D'UN AXE Y PERPENDICULAIRE A UN AXE D'ENTREE Z; DANS LE CAS DU GYROSCOPE, L'ELEMENT 30 EST EGALEMENT DESTINE A EXECUTER UN MOUVEMENT ANGULAIRE LIMITE AUTOUR D'UN AXE X PERPENDICULAIRE A L'AXE Y ET LE COUPANT; UN ELEMENT PLAN EXTERIEUR D'ENTRAINEMENT 32 EXECUTE UN MOUVEMENT OSCILLANT CONTINU A EXCURSIONS LIMITEES AUTOUR DE L'AXE Y; L'ELEMENT D'ENTRAINEMENT 32 EST RELIE A L'ELEMENT INTERIEUR 30; DES DETECTEURS DE POSITION FOURNISSENT DES SIGNAUX REPRESENTANT LES POSITIONS ANGULAIRES DE L'ELEMENT INTERIEUR PAR RAPPORT A L'AXE X, ET REPRESENTANT DONC DES VITESSES ANGULAIRES APPLIQUEES AU DETECTEUR AUTOUR DE L'AXE D'ENTREE Z.

Description

La présente invention concerne des détecteurs d'iner-

tie et en particulier des accéléromètres et des gyroscopes vibratoires. Des gyroscopes vibratoires fournissent une mesure d'une vitesse angulaire appliquée à un élément vibrant, en produisant un signal représentant des couples exercés sur l'élément vibrant sous l'impulsion de la vitesse angulaire appliquée. Dans l'art antérieur, des gyroscopes vibratoires utilisent un diapason ou un faisceau vibrant, ou bien un fil métallique comme élément vibrant,. Cependant,

à cause de la nature discrète desdits éléments, les gyros-

capes de l'art antérieur ne se sont pas avérés aisément adaptables à une miniaturisation ou à une production en

série,.

Un objet de cette invention est de créer un détecteur d'inertie qui soit adapté pour de petites configurations géométriques. Un autre objet est de créer un détecteur d'inertie

qui puisse tre aisément fabriqué en utilisant des techni-

ques de production en série-.

En bref, l'invention est un détecteur d'inertie com-

portant un axe d'entrée (Z). Le détecteur comprend un élé-

ment en forme de feuille et un élément de base associée.

L'élément de base est destiné à supporter la zone périphé-

rique de l'élément feuille dans un plan perperndiculaire à l'axe Z, ce plan contenant un premier axe de référence (X) et un second axe de référence (Y) et les axes X et Y coupant mutuellement et. perpendiculairement à l'axe Z en un point commun. L'élément feuille comporte une première paire de zones évidées opposées en forme. de C qui sont disposées

symétriquement par rapport à l'axe Y et au point commun-.

Les parties de l'élément feuille situées entre les extrémi-

tés opposées des zones évidées sont flexibles2 en formant

des articulations.

Dans la forme accéléromètre de l'inventions la partie de l'élément feuille située à l'intérieur des zones évidées comporte un déséquilibre de masse par rapport à l'axe Y,

c'est-à-dire qu'un côté a une masse supérieure à l'autre.

Des détecteurs sont destinés à fournir des signaux repré-

sentant l'orientation angulaire de la position intérieure de l'élément feuille autour de l'axe Y. Ces signaux repré- sentent l'accélération du détecteur dans la direction de l'axe Z. Dans certaines formes de réalisation, ces signaux peuvent être utilisés pour entraîner des éléments qui maintiennent dynamiquement la partie intérieure de l'élément feuille dans le plan X-Y, les couples de rappel

représentant l'accélération du détecteur.

En général, dans la forme gyroscope de l'invention, un gyroscope plan dans son ensemble est agencé pour produire à la sortie, en combinaison, un vecteur représentant un moment d'oscillation et un couple d'oscillations mesurables

en réponse à une entrée angulaire appliquée.

Dans des modes préférés de réalisation, l'élément feuille du gyroscope comporte au moins un organe interne plan qui est agencé pour osciller autour de l'axe Y à une fréquence sélectionnée. L'organe interne est également agencé pour s'incliner autour de l'axe X en réponse à une vitesse angulaire appliquée autour de l'axe d'entrée Z. Le gyroscope comporte au moins un organe menant plan extérieur, agencé pour être entraîné de façon oscillante

avec des excursions limitées autour de l'axe Y à la fré-

quence sélectionnée (en étant entraîné par exemple par

un dispositif d'entraînement électro-statique ou électro-

magnétique). L'organe menant est accouplé a l'organe interne de façon que le mouvement oscillant de l'organe menant soit transmis à l'organe interne. Des détecteurs

de position fournissent des signaux représentant la posi-

tion angulaire de l'organe interne par rapport à l'axe X. et qui en outre représentent des vitesses angulaires appliquées au dispositif autour de l'axe Z. Dans différents modes de réalisation, le gyroscope vibratoire peut comporter plusieurs organes internes couplés

avec son organe menant ou bien7 en variante il peut compor-

ter un seul errgane interne couplé avec son organe menant.

La forme géométrique plane du produit de l'invention permet de produire des détecteurs d'inertie à partir de feuilles de matière en utilisant des techniques de production en série peu coûteuses. Dans' certains modes de réalisation, les détec- teurs peuvent être réalisés par estampage d'une seule

feuille de matière, comme de l'acier ou de l'aluminium,.

Dans d'autres modes de réalisation, des détecteurs d'inertie miniature peuvent tre réalisés à partir d'une 1i mince couche de matière diélectrique (comme SiO2, Si3N4 ou (Si02)x(5i3N4)y) sur un substrat de silicium en utilisant

des techniques classiques de gravure de semiconducteurs.

En particulier, en utilisant la dernière technique, on

peut former un grand nombre de détecteurs d'inertie minia-

]5 ture de petites dimensions géométriques sur une seule

puce semiconductrice, ce qui permet l'utilisation écono-

mique de détecteurs d'inertie en surabondance avec. par

conséquent, une fiabilité grandement améliorée et de meil-

leures performances pour des systèmes de guidage par iner-

tie. En outre, les dimensions géométriques des détecteurs d'inertie de la présente invention permettent d'utiliser une commande électrostatique au moyen de laquelle des signaux de tension relativement basse peuvent produire des forces d'entraînement relativement grandes et les

signaux de sortie relativement grands.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention

seront mis en évidence dans la suite de la description,

présentant des exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'un détecteur d'inertie de structure plane, agencé conformément- à la pressenLe invention sous la forme d'un gyroscope vibratoire;

la figure 2 est une vue en coupe du mode de réalisa-

tion de la figure 1, faite suivant l'axe X;

la Figure 3 est une vue en coupe du mode de réalisa-

tion de la figure 1, faite suivant l'axe Y; la figure 4 montre les formes d'onde d'excitation de l'organe d'entrainement du gyroscope des figures 1 à3; la figure 5 est une vue en plan d'un autre mode de réalisation de l'invention; et la figure 6 est une vue en plan d'un détecteur d'inertie de structure plane mettant en pratique la

présente invention sous la forme d'un accélérateur.

On va maintenant décrire le mode préféré de réalisa-

tion de l'invention en référence aux figures 1 à 3 qui

lu représentent un gyroscope 10 conforme à la présente inven-

tion. Le gyroscope 10 comprend un élément 6 se présentant sous forme d'une feuille relativement mince et nominalement plane, dont le périmètre est positionné dans un plan défini

par des axes de référence X et Y se coupant perpendiculai-

rement. Un axe d'entrée (Z) orthogonal aux axes X et Y coupe lesdits axes en un point commun 7: L'élément feuille 6 est supporté sur les bords du gyroscope 10 de manière que les parties de l'élément feuille 6 qui sont inférieures auxdits bords soient positionnées au-dessus et espacées d'un substrat (ou élément de base) 8. Dans d'autres modes de réalisation, l'élément de base peut ne pas être placé en dessous de l'élément feuille 6, excepté dans la zone

des supports périphériques.

Dans le mode préféré de réalisation, l'élément en forme de feuille 6 comprend une première paire de zones évidées opposées en forme de C, 12 et une seconde paire de zones évidées opposées en forme de C, 14. L'expression "en forme de C"' se rapporte d'une façon générale à la forme des zones respectives qui comprennent chacune une partie s'étendant approximativement sur 180 degrés autour d'un point central (par exemple une "forme de C" comprend un demi-cercle qui s'étend sur 180' autour de son centre; une "forme de C" comprend également deux segments linéaires

qui sont joints à leurs extrémités, à la façon d'un "V").

Dans le mode de réalisation représenté, les zones évidées de la paire 12 sont sensiblement congruantes, de même que les zones évidées de la paire 14. Les zones évidées 12 sont plus grandes que les zones évidées de la paire

14. les zones évidées de la paire 12 étant disposées symé-

triqueinent par rapport à l'axe Y et au point commun 7 tandis que les zones évidées de la paire 14 sont disposées symétriquement par rapport à l'axe X et au point commun

7. Dans d'autres formes de l'invention. il n'est pas néces-

saire que les zones évidées opposées soient congruantest.

Les parties de l'élément feuille 6 qui sont situées entre les extrémités opposées des zones évidées de la paire 12 (et qui sont désignées par les références 20 et 22 sur la figure 1) et les parties de l'élément feuille 6 situées entre les extrémités opposées des zones évidées de la paire 14 (et qui sont désignées par les références 24 et 26 sur la figure 1) sont relativement flexibles, en formant une articulation joignant la partie de l'élément 6 qui est extérieure aux zones évidées 14 avec la partie qui est intérieure aux zones évidées 14. En conséquence, 1' élément feuille est relié d'un côté de chacune desdites parties avec l'élément feuille de l'autre côté des parties respectives d'une manière permettant un mouvement limité de rotation d'un côte par rapport à l'autre côté autour

de l'axe passant au travers desdites parties.

Avec cette configuration, les zones évidées de la paire 1ll et les parties d'articulation 24 et 26 de la feuille 6 définissent un organe interne, ou d'inertie,

; c'est-à-dire que l'organe 30 est généralement inté-

rieur aux zones évidées de la première paire 14. La partie de la feuille 6 qui est bordée par les zones évidées de la paire 12, les parties d'articulation 20 et 22, -les zones évidées de la paire 14 et les parties d'articulation 24, 26 définissent un organe d'entrainement ou menant 32 du gyroscope 10; cela signifie que l'organe 32 est

généralement intérieur aux zones évidées de la paire 12.

L'organe menant 32 peut exécuter des déplacements angu-

laires limités autour de l'axe Y par rapport au périmàtre de la feuille 10 (qui est supporté sur ses bords par l'élément de base 8), suivant ce qui est autorisé par

les parties d'articulation 20 et 22. De même, l'organe in-

terne 30 peut exécuter des déplacements angulaires limités autour de l'axe X par rapport à l'organe 30 selon ce qui

est autorisé par les parties d'articulation 24 et 26.

Avec cette configuration, l'organe menant ou d'en- traînement 32 est généralement plan, en étant situé dans

un plan défini par l'axe Y et un axe X' (qui est perpendi-

culaire à l'axe X et qui le coupe au point commun 7)-.

L'organe interne 30 est également généralement plan, en étant situé dans un plan. défini par l'axe X' et un axe Y' (qui est perpendiculaire à l'axe X' et qui le coupe au point commun 7). Sur les figures 1 à 3, les axes X et X' sont représentés en coincidence, de même' que les axes Y et Y' Cependant, en fonctionnement, l'axe X' est décalé angulairement par rapport à l'axe X d'une manière généralement périodique tandis que l'axe Y' est décalé

angulairement par rapport a l'axe Y d'une manière en rela-

tion avec la vitesse angulaire appliquée au gyroscope 10. Dans le présent mode de réalisation, l'organe interne comprend une barre allongée 31 sur sa surface orientée dans la direction X', comme cela sera décrit dans la suite,

cette barre 31 constituant simplement un exemple de réali-

sation pour établir une relation désirée entre les moments

d'inertie de l'organe 30 par rapport aux axes X', Y' et Z'.

qui sont nécessaires pour conférer une sensibilité désirée

au gyroscope 10.

Généralement, l'élément en forme de feuille 6 est électriquement non conducteur. Comme représenté, l'organe interne 30 -comprend des zones électriquement conductrices et sensibles 40 et 42, qui sont situées sur la surface

supérieure de cet organe 30: Dans d'autres modes de réali-

sation, les zones 40 et 42 peuvent être positionnées sur la surface inférieure de l'organe 30, ou bien à la fois sur les surfaces supérieure et inférieure de cet organe 30. Les zones 40 et 42 sont reliées électriquement a un ciGcuit électrique axté-ieur par des voies conductrices (désignées par les références 40a et 42a). Les zones de détection 40 et 42 sont destinées à être placées en regard d'organes conducteurs plans fixes par rapport à l'élément de base 8. Lorsque l'élément de base 8 est élec- triquement conducteur, cet élément 8 peut placer l'organe conducteur en regard des zones 40 et 42. (Dans d'autres modes de réalisation, des éléments conducteurs discrets peuvent être fixes par rapport i l'élément 8). Ensemble} les paires d'organes conducteurs opposés constituent un transducteur de position à capteurs capacitifs ayant une capacité représentant l'orientation angulaire de l'organe intérieur 30 autour de l'axe X (c'est-à-dire l'angle formé

par les axes Y et Y').

L'organe d'entraînement 32 comprend deux autres zones

conductrices d'entraînement 46 et 48 sur sa surface supé-

rieure. Comme pour les zones 40 et 42 dans d'autres modes de réalisation, les zones 46 et 48 peuvent être placées sur la surface inférieure de l'organe 32, ou bien à la fois sur les surfaces supérieure et inférieure de l'organe 32. Les zones 46 et 48 sont reliées électriquement à un circuit externe par des voies conductrices (désignées par les références 46a et 48a). Les zones d'entraînement 46 et 48 sont destinées à être placées en regard d'organes conducteurs plans qui sont fixes par rapport à l'élément de base. Lorsque l'élément de base 8 est conducteur, cet élément peut servir d'organes conducteurs placés en regard des organes 46 et 48. Ensemble, lesdites paires d'organes opposés peuvent être effectivement commandées pour produire des forces électrostatiques servant à entraîner l'organe menant 32 dans un mouvement oscillant autour de l'axe Y (c'est-à-dire de telle sorte que l'angle formé par les axes X' et X corresponde a une fonction oscillatoire

dans le temps).

Un générateur de signaux est destiné à produire

un premiEr signal d'excitation (qui est appliqué au conden-

sateur formé par la zone d'entraînement 46 et son organe d'entrainement conducteur opposé), et une seconde tension d'excitation (qui est appliquée au condensateur formé par la zone d'entraînement 48 et son organe d'enttraInement conducteur- opposé). Le premier et le second signal de tension d'excitation sont périodiques et ont la même fréquence fondamentale (et par conséquent une périodicité identique), ainsi qu'une composante de courant continu non nulle, de sorte que le premier signal de tension d'excitation est déphasé de 180 degrés par rapport au

second signal de tension d'excitation. La figure 4 repré-

sente des exemples de signaux de tension d'excitation qui sont généralement rectangulaires. Si on utilise des signaux bipolaires, ces signaux sont asymétriques, par

exemple comme indiqué sur la figure 4.

En fonctionnement, le 'signal d'excitation applique des forces électrostatiques alternatives entre les éléments conducteurs des condensateurs respectifs et, en réponse auxdites forces, l'organe d'entralnement 32 oscille autour de l'axe Y à la fréquence de répétition des signaux de tension d'excitation. Ce mouvement oscillant de l'organe d'entraînement 32 est transmis à l'organe intérieur 30 (qui oscille à son tour également autour de l'axe Y) au moyen des parties d'articulation 24 et 26. Dans de petites configurations géométriques, o les distances entre les zones 46 et 48 et leurs éléments conducteurs opposés

associés sont petites, des forces électrostatiques substan-

tielles peuvent être engendrées en utilisant des tensions d'excitation relativement faibles. Dans d'autres formes de réalisation de l'invention, un mouvement oscillatoire correspondant des organes 30 et 32 autour de l'axe Y peut être engendré par d'autres techniques, par exemple en

utilisant des forces électromagnétiques.

Lorsque les organes 30 et 32 oscillent de cette

manière, en produisant ainsi un vecteur de moment d'oscilla-

tion, une vitesse angulaire appliquée autour de l'axe Z produit un couple de gyroscope qui incline l'organe intérieur 30 en le faisant sortir du plan de l'organe d'entraînement 32 d'un angle (correspondant à l'angle entre les axes Y et Y') proportionnel à la grandeur de

la vitesse angulaire appliquée.

La sensibilité du gyroscope 10 en résonance est approximativement: x 2y (lx IY- Ilz)/l x W 2l nDRlx o 6lx désigne l'inclinaison de l'organe intérieur 30 mesurée par rapport au plan X-Y; Ilx désigne le moment d'inertie de l'organe intérieur par rapport à l'axe X'; 1ly désigne le moment d'inertie de l'organe intérieur par rapport à l'axe Y'; Ilz désigne le moment d'inertie de l'organe intérieur par rapport à l'axe Z'; efy désigne le déplacement angulaire maximal de l'organe d'entraînement 32 autour de l'axe Y;

wn désigne la fréquence de résonance de l'organe inté-

rieur 30 autour de l'axe X'

DRlx désigne le rapport d'amortissement de l'organe inté-

rieur 30; Wx désigne la vitesse angulaire d'entrée autour de l'axe z Z. En conséquence, la sensibilité est proportionnelle à (Ix + Ily - Ilz)/Iix Ilx' Ily et I!z désignent les moments d'inertie de l'organe interne 30 respectivement par rapport aux axes X'> Y' et Z' Pour augmenter au maximum la sensibilité, l'organe intérieur 30 doit être profilé pour augmenter au maximum cette relation des moments d'inertie. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 à 3 (o l'organe 20 est une feuille mince), une barre 31 s'étendant le long de l'axe X' est positionnée sur l'organe 30. Dans d'autres modes de réalisation, l'organe 30 peut être profilé différemment, en particulier pour faire en sorte que la relation entre les moments

d'inertie par rapport à X', Y' et Z' atteigne une sensi-

bilité désirée.

Dans une forme préférée de réalisation de l'invention, prise à titre d'exemple, le gyroscope 10 a la configuration générale indiquée sur les figures 1 à 3, o l'élément en forme de feuille 6 est constitué par une couche de dixoxyde de silicium d'une épaisseur de 1,0 micron qui est supportée sur ses bords par un substrat en silicium 8. La partie centrale de l'élément en forme de feuille

6 (comprenant un organe intérieur 30 et un organe d'entraî-

nement 32) est séparée du substrat 8 d'une distance de 8,7 microns dans la direction Z (représentés comme la dimension D sur les figures 2 et 3). L'organe interne 30 a une forme rectangulaire et des dimensions de 125 microns (dans la direction Y) par 125 microns (dans la direction X), et la barre 31 (centrée sur l'axe X) est formée d'or et a des dimensions de 15 microns dans la direction Z', de 12,5 microns dans la direction Y' et

de 105 microns dans la direction X'. L'organe d'entraine-

ment 32 est essentiellement un "anneau rectangulaire" (comme représenté) d'une largeur de 50 microns, ayant des dimensions extérieures de 250 microns par 250 microns, o les zones 46 et 48 ont chacune des dimensions de 125 microns (dans la direction Y) par 40 microns (dans la

direction X). Avec cette configuration, une tension d'exci-

tation de 10 volts à une fréquence de 1000 Hz produit une sensibilité de sortie qui est approximativement de 46 millivolts/rad-s pour un angle de sortie (Elx/Wl) de

4 arc-min/rad/s.

Dans le mode préféré de réalisation, le gyroscope est réalisé à partir d'une pastille de silicium de type p ayant typiquement une épaisseur de 300 microns en utilisant des opérations classiques de photolithographie et de traitement de semiconducteurs. Une diffusion de bore (p+) de haute concentration est réalisée dans des zones o une étape de gravure est nécessaire. Ensuite, il

LOn couche épitaxiale est formée avec une épaisseur d'envi-

ron 0lB microns. L'épaisseur de cette couche détermine Y,,pacement entre la feuille 6 et le substrat 8. A ce moment, des éléments électroniques sont réalisés sur la puce dans une zone éloignée du substrat. Ensuite la feuille 6 est soumise à croissance thermique jusqu'à une épaisseur d'environ 1

micron par oxydation de la surface de la couche épitaxiale.

Plusieurs étapes de croissance sélective, de gravure et de recroissance sont nécessaires pour obtenir l'épaisseur déirée dans les différentes zones de la feuille 6, qui contient l'organe interne 30, l'organe d'entraînement 32 et les articulations 20, 22, 24 et 26. La barre 31 est réalisée ensuite en utilisant des techniques de placage

ou autres.

La pastille est ensuite revêtue d'un métal (typique-

ment chrome-or) et elle est modelée pour former des élec-

trodes 40, 42, 46, 48 ainsi que des connexions métalliques avec les circuits placés sur la puce. L'étape suivante consiste dans le modelage et la gravure de la couche 9 (Si02) pour former les zones évidées profilées en C. La pastille est ensuite gravée dans un agent de gravure

dépendant de la résistivité (par exemple: éthylène-

diamine pyrocatéchol et eau). Cet agent de gravure effectue la gravure de la couche épitaxiale en s'arrêtant à la diffusion p+ du substrat et en laissant la feuille 6 de SiO2 suspendue par les zones 22 et 24. La pastille est

nettoyée, séchée et sciée pour former des éléments indivi-

duels de gyroscope. Ces éléments peuvent ensuite être classiquement assemblés, des circuits de la puce étant

liés aux conducteurs de l'assemblage.

Dans d'autres modes de réalisation, un chapeau séparé peut être positionné sur et espacé de la feuille 6 et il peut être joint à la feuille dans les zones o cette feuille est supportée par l'élément de base 8. Dans cette

canfiguiation, des pilotes et des détecteurs (électromagnê-

tiques ou électrostatiques) peuvent être créés d'une manière analogue a celle décrite ci-dessus, de telle sorte que le détecteur d'inertie puisse opérer avec la feuille retenue

dynamiquement dans le plan X-Y.

Dans d'autres modes de réalisation, l'élément en t riiie de feuille 6 peut être estampé à partir d'une seule feuille de matière, comme de l'aluminium ou de l'acier,

qui est fixée par ses bords sur un élément porteur péri-

phérique. Dans cette forme de réalisation, la barre 31 peut être réalisée à partir d'une partie de la feuille qui est pliée de 90 degrés en dehors de son plan, ou bien par fixation d'un élément de profil approprié. Les pilotes ou les détecteurs, ou bien les deux types d'organes, peuvent

être soit capacitifs, soit électromagnétiques, soit mixtes-.

Il va de soi que, dans le mode de réalisation en

matière semiconductrice de l'invention, des circuits addition-

nels peuvent être incorporés à la pastille semi-conductrice (ou puce) en utilisant des techniques classiques dans le domaine des circuits intégrés, de façon à obtenir un gyroscope vibratoire plan de petites dimensions géométriques auquel sont incorporés des circuits électroniques. Dans de telles configurations, on peut obtenir un assemblage très efficace. En outre. des gyroscopes multiples peuvent être réalisés et interconnectés sur une seule pastille (ou puce) avec des circuits adaptés pour permettre un fonctionnement en redondance, ce qui augmente ainsi la

fiabilité d'ensemble du système.

La figure 5 représente une vue en plan d'un autre

mode de réalisation 110 de lE présente invention. Le gyros-

cope 110 est dans l'ensemble semblable au mode de réalisa-

tion de la figure 1, excepté que l'élément d'entrainement comprend trois éléments intérieurs, qui sont chacun agencés pour s'incliner autour d'un de trois axes parallèles (X'1, X', X3) qui sont tous perpendiculaires à l'axe X et qui coupent cet axe en un point respectif parmi trois

points centraux 7a, 7b et 7c. Dans d'autres modes de réali-

sation, on peut utiliser un nombre différent d'éléments internes. Sur la figure 5, des organes correspondant aux organes de la configuration de la figure 1 ont été désignés par des références numériques identiques. En outre, la partie du substrat 8 qui est placée en-dessous des zones évidées 12 et 14 a été représentée par des hachures croisées. Comme illustré sur la figure 5e l'organe d'entraînement 32 (et par conséquent les axes X'1, X'2 et X'3) et l'organe interne 30 (et par consequent l'ensemble de la feuille 6) sont représentés dans le plan X-Y bien que, en fonctionnement9 lesdits organes soient généralement

décalés angulairement par rapport à la position illustrée.

Dans la configuration de la figure 5 chacun des organes internes 30 est défini par une paire de zones

évidées opposées en forme de C qui sont disposées symlétri-

quement par rapport à un des trois points centraux (7a, 7b et 7c) et par rapport à un des axes X'l, X'2 et X'3 (comme indiqué). Il est évident que, comme cela a été défini Jci, l'expression "en forme de GC" se rapporte aux zones évidées ayant la configuration représentée par des

hachures, qui définissent l'organe placé le plus à l'inté-

rieur 30 sur la figure 5. Dans le gyroscope 110, les trois voies conductrices 46 sont reliées ensemble par une voie conductrice 46a de manière à établir (en coopération avec

le substrat conducteur sous-jacent 8) trois capteurs capaci-

tifs parallèles. Les trois zones conductrices 48 sont reliées de façon analogue à la voie conductrice 48ao Avec cette configuration, les capteurs capacitifs sont très sensibles à des vitesses angulaires d'entrée autour d'axes parallèles à un axe perpendiculaire à l'axe X et à l'axe Y. Comme le montre la figure 5, les zones conductrices 40a, 42a, 46a et 48a sont reliées au réseau central 60

(qui peut tre intégré à la puce en utilisant une technolo-

gie classique concernant les circuits intégrés) qui commande

le fonctionnement du gyroscope 110.

La figure 6 représente encore un autre détecteur d'inertie conforme à la présente invention et se présentant sous la forme d'un accéleromètre 50. L'accéléromètre 50 est semblable au gyroscope 10 de la figure 1, excepté qu'il n'est prévu aucun organe correspondant aux zones évidées 12, aux zones 20 et 22 et aux zones conductrices 46, 46a, 48 et 48a, et excepté que l'organe 30 a plus de masse sur la partie située d'un coté de l'axe X que sur l'autre côté (en créant un déséquilibre de masse autour de l'axe X)-. Ce déséquilibre de masse est indiqué par le centre de gravité CG sur la figure 6. Autrement les éléments de l'accéléromètre 60 sont les mêmes que ceux du gyroscope 10. En fonctionnement,le déplacement angulaire de l'élément 30 autour de- l'axe X, comme cela est détecté en utilisant des zones conductrices 40 et 42, fournit une mesure de l'accélération le long de l'axe Z. Dans

ce mode de réalisation, les axes X et Y sont interchangea-

bles.

Claims

REVENDICATIONS

1. Détecteur d'inertie, à structure plane, ayant un axe d'entrée (Z), comprenant un élément (6) en forme de feuille, un élément de base (8) associé, ledit élément de base comportant des moyens pour supporter la zone périphérique dudit élément en forme de feuille dans un plan perpendiculaire audit axe d'entrée (Z), ledit plan comprenant un premier axe de référence (X) et un second axe de référence (Y), lesdits premier et second axes de référence étant mutuellement perpendiculaires et coupant

ledit axe d'entrée en un point commun, détecteur caracté-

risé en ce que ledit élément (6) en forme de feuille com-

prend une première paire de zones évidées opposées (12) en forme de (C) disposées symétriquement par rapport audit second axe (Y) et audit point commun (7), et en ce que les parties dudit élément (6) en forme de feuille qui sont situées entre les extrémités opposées des zones évidées (12) de ladite première paire et les parties dudit 61éément (6) en forme de feuille qui sont placées à l'intérieur de ladite première paire de zones évidées (12) sont espacées dudit élément de base (8) dans la direction dudit axe (Y), et en ce que les parties dudit élément (6) en forme de feuille, qui sont situées entre les extrémités opposées desdites zones évidées de ladite première paire (12), sont

flexibles.

2. Détecteur d'inertie, à structure plane, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: A. Au moins une seconde paire de zones évidées opposées (14) en forme de C, les zones évidées de ladite première paire (12) étant plus grandes que les zones évidéeos (14) de la seconde paire, et B. Ladite seconde paire de zones évidées (14) est placée à l'intérieur des zones évidées de ladite première paire (12) et disposée symétriquement par rapport à des axes parallèles audit premier axe (X) lorsque ledit

élément (6) en forme de feuille est situé dans ledit plan.

16 2561389

3. Détecteur d'inertie, à structure plane, selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une seule seconde paire (14) de zones évidées opposées en forme de (C), ladite seconde paire unique étant placée autour dudit point commun (7) et en-ce que la partie de l'élément (6) en forme de feuille qui est placée à l'intérieur de ladite seconde paire de zones évidées (14) comprend un organe interne (30) dont l'axe (X') est orienté perpendiculairement

audit axe (Y) et passe par ledit point commun (7).

4. Détecteur d'inertie, à structure plane, selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs secondes paires (14) de zones évidées opposées en forme de

(C), chacune desdites secondes paires (14) étant disposée symé-

triquement autour d'un point central associé (7) le long dudit axe (Y), en ce que les parties de l'élément(6), en forme de feuille, qui sont placées à l'intérieur desdites secondes paires (14) de zones évidées, comprennent chacune un axe (X') d'organe interne perpendiculaire audit axe (Y) et passant par un point central (7) associé audit organe interne

(30).

5. Détecteur d'inertie, à structure plane, selon

les revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'il comprend

en outre un moyen (30) pour produire un signal représentant le déplacement angulaire de la partie dudit élément (6) en forme de feuille, qui est placée à l'intérieur de ladite seconde paire de zones évidées (14) autour dudit premier axe de référence (X), ledit signal représentant la vitesse

angulaire dudit détecteur autour dudit axe d'entrée (Z).

6. Détecteur d'inertie de structure plane selon

la revendication 5, caractérisé en ce que ledit moyen géné-

rateur (30) comprend une première zone conductrice plane de détLection (40) placée sur la surface de la partie dudit élément (6) en forme de feuille qui est située à l'intérieur de ladite seconde paire de zones évidées (14) et sur un côté dudit axe (X') de l'organe interne (30), ladite -première zone conductrice plane de détection (40) étant destinée à être placée en regard d'un premier organe conducteur plan de détection fixe par rapport audit élément de base (8), ladite première zone conductrice plane de détection et ledit

17 2561389

premier organe conducteur plan de détection formant

un transducteur de position ayant une capacité caracté-

ristique représentant l'orientation angulaire de ladite

partie dudit élément (6) en forme de feuille qui est in-

térieure à ladite seconde paire de zones évidées (14)

par rapport audit premier axe de référence (X).

7. Détecteur d'inertie, à structure plane, selon la revendication 6,. caractérisé en ce que ledit moyen générateur (30) comprend en outre une seconde zone conductrice plane de détection (42) placée sur la surface de la partie dudit élément (6) en forme de feuille qui est intérieure à ladite seconde paire de zones évidées (14, et de l'autre côté dudit axe (X') dudit organe interne (30), ladite seconde zone conductrice plane de détection (42) étant destinée à être placée en regard d'un second organe conducteur plan de détection qui est fixe par rapport audit élément de base (8), ladite seconde zone conductrice plane de détection (42) et ledit second organe conducteur plan de détection formant un transducteur de position ayant une capacité caractéristique représentant l'orientation angulaire desdites parties dudit élément (6) en forme de feuille qui sont intérieures à ladite seconde paire de zones évidées (14) autour dudit premier

axe de référence (X).

8. Détecteur d'inertie,à structure plane,

selon les revendications 3, 4 et 5, caractérisé en ce qu'il

comprend en outre un moyen d'entraînement pour entraîner la partie dudit 61éément (6) en forme de feuille, située entre ladite première paire (12) et ladite seconde paire (14) de zones évidées, dans un mouvement oscillant autour

dudit second axe (Y).

9. Détecteur d'inertie, à structure plane, selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit

moyen d'entrainement comprend une première zone conduc-

trice plane d'entraînement placée sur la surface de la partie dudit élément en forme de feuillei(6) qui est située entre ladite première paire (12) et ladite seconde paire (14) de zones évidées et d'un côté dudit second axe de référence (Y), et une seconde zone conductrice plane d'entraînement placée sur la surface de la partie dudit élément (6) en forme de feuille qui est située entre ladite première paire (12) et ladite seconde paire (14) de zones évidées et de l'autre côté dudit second axe de référence (Y), lesdites première et seeonde zones conductrices pla- nes d'entraînement étant destinées à être placées en

regard respectivement du premier et du second organe con-

ducteur plan d'entraînement, fixes par rapport audit élé-

ment de base (8).

10. Détecteur d'inertie, à structure plane, selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit

moyen d'entraînement comprend en outre un moyen pour appli-

quer un premier signal de tension périodique à ladite première zone conductrice plane d'entraînement et audit premier organe conducteur plan d'entraînement ainsi qu'un

moyen pour appliquer un second signal de tension périodi-

que à ladite seconde zone conductrice plane d'entraînement

et audit second organe conducteur plan d'entraînement, les-

dits premier et second signaux de tension ayant la même fréquence fondamentale et une composante de courant continu non nulle, et ledit premier signal de tension étant déphasé

de 1800 par rapport audit second signal de tension.

11. Détecteur d'inertie de structure plane selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie dudit élément (6) en forme de feuille qui est placée entre les extrémités desdites zones évidées de ladite première paire (12) présente un déséquilibre par rapport

audit second axe (Y).

12. Détecteur d'inertie, à structure plane, selon la revendication 11, caractérisé en outre en ce

qu'il comprend un moyen pour produire un signal repré-

sentant le déplacement angulaire de la partie dudit élé-

ment en forme de feuille (6) qui est intérieure à ladite première paire de zones évidées (12) autour dudit second

axe de référence (Y), ledit signal représentant l'accélé-

ration dudit détecteur dans la direction dudit axe

d'entrée (Z).

13. Détecteur d'inertie, à structure plane,

selon les revendications 1, 8 et 12, caractérisé en ce

que ledit élément (6) en forme de feuille et ledit élément de base (8) associé sont constitués d'une matière intégrale.

14. Détecteur d'inertie, à structure plane, selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite matière intégrale est une pastille en semiconducteur, ledit élément (6) en forme de feuille est une couche diélectrique et ledit élément de base (8) est formé de

silicium, ledit élément (6) en forme de feuille recou-

vrant ledit élément de base (8).

15. Détecteur d'inertie, à structure plane,

selon la revendication 14, caractérisé en ce que la-

dite couche diélectrique est formée d'une matière choi-

sie dans le groupe comprenant SiO2, Si2N4 et (Si02) (Si3N4)y.

16. Détecteur d'inertie, à structure plane, selon la revendication 13, caractérisé en outre en ce

qu'il comprend un circuit électrique de commande asso-

cié qui est intégré à ladite pastille en silicium.

17. Détecteur selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit élément de base (8) comprend une partie placée en-dessous dudit élément en forme de feuille (6) et en ce que les parties de l'élément en Feuille (6) qui sont situées entre les extrémités opposées des zones évidées de ladite première paire (12) et les parties de l'élément en forme de feuille (6) qui sont intérieures à ladite première (12) de zones

évidées, sont espacées l'une de l'autre dans la direc-

tion dudit axe (Y) à partir dudit élément de base (8).