FR2919393A1

FR2919393A1 - Accelerometre simplifie d'unite de mesure inertielle a cout reduit ou securite amelioree.

Info

Publication number: FR2919393A1
Application number: FR0705526A
Authority: FR
Inventors: Jacques Leclerc
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2009-01-30
Also published as: WO2009016120A1

Abstract

La présente invention a pour objet un accéléromètre d'unité de mesure inertielle permettant de réduire le coût et d'améliorer la sécurité de cette unité de mesure inertielle.L'accéléromètre conforme à l'invention est un accéléromètre d'unité de mesure inertielle du type à résonateur dont la fréquence de résonance est modifiée par un dispositif à masse mobile en fonction des accélérations subies par cette masse mobile, et il est caractérisé en ce qu'il est bi-axial et comprend une seule masse plane mobile sensible aux accélérations se produisant selon un axe quelconque dans un plan parallèle à celui de la masse, cette masse étant associée à au moins deux dispositifs de conversion de la force appliquée à la masse sensible aux accélérations en signaux électriques, les axes sensibles de ces dispositifs de conversion de force étant mutuellement disposés de façon à permettre la détermination de leurs composantes dans ledit plan.

Description

ACCELEROMETRE SIMPLIFIE D'UNITE DE MESURE INERTIELLE A COUT REDUIT OU

SECURITE AMELIOREE La présente invention se rapporte à un accéléromètre simplifié d'unité de mesure inertielle ainsi qu'à une unité de mesure inertielle basée sur un tel accéléromètre. On connaît, par exemple, d'après le brevet français 2 848 298 du Demandeur un accéléromètre uni-axial micro-usiné dans une plaque, en silicium par exemple. Cet accéléromètre est composé d'une ou de deux masses sismiques suspendues dans un plan et guidées selon un axe préférentiel commun de déplacement. Un système d'amplification de force associé à chaque masse sismique permet d'amplifier la force qu'elle produit, lorsqu'elle est soumise à une accélération, et de l'appliquer au résonateur correspondant, entretenu en vibration par un circuit électronique dédié. La puce de détection comportant les éléments précités constitue une cavité sous vide permettant d'obtenir un grand facteur de qualité pour les résonateurs. Un tel accéléromètre a été schématisé en figure 1 par exemple en configuration bi- masses. L'accéléromètre uni-axial de la figure 1 comporte essentiellement deux masses sismiques planes 1, 2 mobiles en translation sous l'action d'une accélération y appliquée selon l'axe sensible de l'accéléromètre (axe parallèle aux flèches 3, 4 représentant les forces d'accélération My appliquées aux centres de gravité respectifs de ces masses M), ces masses étant suspendues dans un même plan par des bras B à un cadre rigide 5 faisant partie du substrat sur lequel est formé l'accéléromètre. Chacune de ces deux masses 1, 2 est reliée par un cric 6, 7 en forme de pantographe à un résonateur 8, 9 respectivement. Ces crics sont reliés par un de leurs sommets à la masse correspondante et par leur sommet opposé à une partie fixe 10, 11 du substrat, située entre les deux masses. Les résonateurs 8, 9 sont fixés entre les deux autres sommets des pantographes. Ainsi, lorsqu'une accélération -y (ou une composante d'accélération) est appliquée (horizontalement et vers la droite sur le dessin), la masse 1 comprime le pantographe 6 et étire donc le résonateur 8, tandis que la masse 2 étire le pantographe 7 en comprimant le résonateur 9, ce qui modifie leurs fréquences de résonance respectives.

Un tel accéléromètre se présente sous forme d'une puce (élément monolithique MEMS , Micro ElectroMechanical System ) qui est montée dans un boîtier-cellule permettant son positionnement mécanique, et les connexions électriques aux résonateurs. Il est par ailleurs possible de créer le vide dans la cellule lorsqu'il n'a pas été possible de le réaliser dans la puce, la puce étant dotée d'évents de mise au vide. Cet accéléromètre connu est doté d'un système de mesure de température pour effectuer les compensations appropriées et de circuits électroniques de proximité à deux voies permettant d'entretenir les deux résonateurs en vibration à la résonance. Les signaux des deux voies de mesure de fréquence sont convertis et adressés à des circuits électroniques numériques réalisant les asservissements, la restitution de l'accélération par différence des deux fréquences ou par des traitements plus sophistiqués, les compensations et la mise au format de sortie numérique Une unité de mesure inertielle (UMI ) de l'art antérieur est constituée en particulier de trois accéléromètres uni-axiaux disposés dans des plans orthogonaux deux à deux, soit trois cellules contenant chacune une puce, trois circuits de mesure de température, six voies de mesure de fréquence et un circuit de traitement numérique. La présente invention a pour objet un accéléromètre d'unité de mesure inertielle permettant de réduire le coût et/ou d'améliorer la sécurité de cette unité de mesure inertielle. L'accéléromètre conforme à l'invention est un accéléromètre d'unité de mesure inertielle du type à résonateur dont la fréquence de résonance est modifiée par un dispositif à masse mobile en fonction des accélérations subies par cette masse mobile, et il est caractérisé en ce qu'il est bi-axial et comprend une seule masse plane mobile sensible aux accélérations se produisant selon un axe quelconque dans un plan parallèle à celui de la masse, cette masse étant associée à au moins deux dispositifs de conversion de la force appliquée à la masse sensible aux accélérations en signaux électriques, les axes sensibles de ces dispositifs de conversion de force étant mutuellement disposés de façon à permettre la détermination de leurs composantes dans ledit plan.

Dans le cas où la masse mobile est associée à deux dispositifs de conversion de force, les axes sensibles de ces dispositifs font entre eux un angle différent de 0 ou 900. Dans le cas où la masse mobile est associée à trois dispositifs de conversion de force, les axes sensibles de ces dispositifs concourent en un point commun et font avantageusement entre eux un angle d'environ 120 . Dans le cas où la masse mobile est associée à N (N>3) dispositifs de conversion de force, les axes sensibles de ces dispositifs concourent en un point commun et font avantageusement entre eux des angles égaux à 2n/N.

Selon une autre caractéristique de l'invention, on constitue une unité de mesure inertielle à l'aide de deux tels accéléromètres. Selon une autre caractéristique de l'invention, on constitue une unité de mesure inertielle à l'aide d'un tel accéléromètre bi-axial et d'un accéléromètre uni-axial.

Dans toute la présente description, accéléromètre bi-axial signifie que cet accéléromètre est capable de mesurer une accélération de direction quelconque dans un plan. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel : la figure 1, déjà décrite ci-dessus, est un schéma simplifié d'une cellule de l'art antérieur captant des accélérations selon un seul axe, - la figure 2 est un schéma de principe simplifié d'un premier mode de réalisation d'une cellule conforme à la présente invention destinée à capter des accélérations selon une direction quelconque dans un plan, et comportant une masse mobile entourée de trois dispositifs de conversion de force, et - la figure 3 est un schéma simplifié d'un mode de réalisation préféré d'une cellule conforme à l'invention, plus compacte que celle de la figure 2.

L'accéléromètre de la figure 2 comporte une seule masse sismique 12 maintenue par des bras de guidage lui conférant deux degrés de liberté dans le plan et trois dispositifs de conversion de force 13, 14 et 15. Ces dispositifs comprennent essentiellement chacun un résonateur 16, 17 et 18 respectivement, solidaire d'un pantographe 19, 20 et 21 respectivement, chaque résonateur étant relié à un circuit d'excitation, de conversion de fréquence et de traitement du signal (non représentés). Les pantographes sont ancrés à des zones fixes, respectivement 22 à 24, du substrat sur lequel sont formées les masses sismiques. La masse 12 et les dispositifs de conversion de force sont réalisés par exemple selon le procédé décrit dans le brevet français précité et adapté à l'invention. Les axes sensibles des dispositifs de conversion de force 13 à 15 sont orientés à 120 les uns par rapport aux autres et concourent au centre de gravité de la masse 12. La masse 12 a, dans l'exemple représenté, une forme de triangle équilatéral, mais elle peut avoir une autre forme, à condition de présenter une symétrie de révolution par rapport à son centre et selon des angles égaux ou sous-multiples des angles formés par les axes sensibles des dispositifs 13 à 15. Ce peut, par exemple, être un hexagone dans le ces où l'accéléromètre comporte trois résonateurs. Dans le cas, représenté en figure 2, où une accélération y est appliquée à l'accéléromètre selon un axe sensiblement parallèle à l'axe sensible du dispositif 15 et dirigée du sommet opposé vers ce dispositif, une composante de cette accélération (parallèle à l'axe sensible du dispositif 15, donc pratiquement égale et parallèle à cette accélération) est appliquée à ce dispositif 15, ce qui a pour effet de comprimer le pantographe 21 et d'étirer le résonateur 18. D'autre part, une composante de cette accélération -y (composante dirigée selon l'axe sensible du dispositif 13), est appliquée à ce dispositif 13, ce qui a pour effet d'étirer le pantographe 19 et de comprimer le résonateur 16. Enfin, une autre composante de cette accélération y (composante dirigée selon l'axe sensible du dispositif 14) est appliquée à ce dispositif 14, ce qui a pour effet d'étirer le pantographe 20 et de comprimer le résonateur 17. Les modifications de fréquence de résonance des trois résonateurs 16 à 18 sont alors mesurées et converties en valeurs d'accélérations, comme décrit dans le susdit brevet français Par un calcul simple de composition vectorielle, en combinant de façon connue en soi les trois composantes d'accélération ainsi mesurées (par projection selon les cosinus directeurs des axes sensibles des résonateurs), on arrive à déterminer la direction et l'intensité de l'accélération y.

La puce bi-axiale renfermant l'accéléromètre tel que celui de la figure 2 est sensiblement plus grande que dans le cas d'un uni-axial (surface multipliée par 1,5 à 2), et elle nécessite 1,5 fois plus de connections électriques que cette dernière ( voire un peu moins si des points communs sont possibles). Elle est reportée dans un boîtier-cellule. Un seul système de compensation thermique est nécessaire pour l'accéléromètre bi-axial et les voies de traitement de fréquence des résonateurs sont identiques au cas uni-axial. On a représenté en figure 3 un exemple de réalisation d'une puce bi-axiale conforme à l'invention. Dans ce mode de réalisation, la masse mobile unique 25 est en forme de triangle équilatéral. Les sommets de ce triangle sont découpés pour laisser la place à des électrodes planes d'amortissement 26 à 28, par exemple en forme de losanges, qui sont disposées aux trois sommets de ce triangle, dans le plan de la masse mobile. La masse mobile 25 est associée à trois ensembles cric + résonateur référencés 29 à 31 dans leur ensemble, respectivement. Chacun de ces ensembles est disposé dans un évidement (non représenté) de la masse mobile correspondante. Les axes sensibles des trois ensembles 29 à 31 concourent au centre de la masse 25 et forment, deux à deux, des angles d'environ 120 , en étant chacun sensiblement parallèle à un côté du triangle formé par la masse 25. Des électrodes d'excitation E, disposées sous la masse 25, à proximité des résonateurs correspondants, les excitent à la résonance. Des électrodes de détection D, sont également disposées sous la masse, à proximité des résonateurs correspondants, et recueillent les variations de fréquence de résonance des résonateurs correspondants, ces variations apparaissant lorsque la masse 25 est soumise à des accélérations et étire ou comprime ces résonateurs.

Une UMI conforme à l'invention est dès lors constituée de deux accéléromètres bi-axiaux dont les plans sont mutuellement orthogonaux. L'ensemble comporte donc, dans le cas de trois résonateurs, deux cellules contenant chacune une puce, deux dispositifs de mesure de température, six voies de traitement de fréquences des résonateurs et un dispositif de traitement numérique. Ainsi cette architecture, a un fonctionnement plus sûr, car elle dispose d'un axe de mesure redondant, ce qui lui confère quatre axes sensibles, lui permettant ainsi de résister à une panne d'une voie de traitement de fréquence. Selon une variante de l'invention, l'UMI est sans redondance et est constituée d'un accéléromètre bi-axial XY et d'un accéléromètre uni-axial Z. On a résumé dans le tableau ci-dessous les avantages et inconvénients des différentes possibilités de réalisation d'une UMI, à savoir la solution de l'art antérieur à trois accéléromètres (ou capteurs) uni-axiaux et les solutions de l'invention à deux accéléromètres bi-axiaux et à un accéléromètre uni-axial et un accéléromètre bi-axial. Sdution 3 capteurs uni- Solution 2 Capteurs bi-Solution un capteur B et un axiaux axiaux uni-axial Surface silidum 3s 3s à 4s 2,5s à 3s Connexion électrique puce 3c 3c 3c Nxe de Boîtiers-cellules 3 2 2 noie terrpératu-e 3 2 2 voies fréquences 6 6 5 • Nxrbre de rrioaies 3 2 2 Traitement nurérique w peu plus conplexe un peu plus complexe Coût intégration moins complexe moins complexe Redondance aucune 1 voie accéléro auane Coût réaient rnoins cher moins cher Vdurre Uvl plus faible plus faible15

Claims

REVENDICATIONS

1. Accéléromètre d'unité de mesure inertielle du type à résonateur dont la fréquence de résonance est modifiée par un dispositif à masse mobile en fonction des accélérations subies par cette masse mobile, caractérisé en ce qu'il est bi-axial et comprend une seule masse plane mobile sensible aux accélérations se produisant selon un axe quelconque dans un plan parallèle à celui de la masse, cette masse étant associée à au moins deux dispositifs de conversion de la force appliquée à la masse sensible aux accélérations en signaux électriques, les axes sensibles de ces dispositifs de conversion de force étant mutuellement disposés de façon à permettre la détermination de leurs composantes dans ledit plan.

2. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse mobile est associée à deux dispositifs de conversion de force, et que les axes sensibles de ces dispositifs font entre eux un angle différent de 0 ou 90 .

3. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse mobile est associée à trois dispositifs de conversion de force, et que les axes sensibles de ces dispositifs concourent en un point commun et font entre eux un angle d'environ 120 .

4. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse mobile est associée à N (N>3) dispositifs de conversion de force, et que les axes sensibles de ces dispositifs concourent en un point commun et font avantageusement entre eux des angles égaux à 27c/N.

5. Unité de mesure inertielle, caractérisée en ce qu'elle comporte deux accéléromètres bi-axiaux selon l'une des revendications 1 à 4.

6. Unité de mesure inertielle, caractérisée en ce qu'elle comporte un accéléromètre bi-axial selon l'une des revendications 1 à 4 et un accéléromètre uni-axial