FR2983574A1 - Capteur angulaire inertiel de type mems equilibre et procede d'equilibrage d'un tel capteur - Google Patents

Capteur angulaire inertiel de type mems equilibre et procede d'equilibrage d'un tel capteur Download PDF

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Abstract

Capteur angulaire inertiel de type MEMS comprenant un support (1) d'au moins deux masses (2) qui sont montées mobiles par rapport au support et qui sont associées à au moins un actionneur électrostatique (3) et à au moins un détecteur électrostatique (4). Les masses (2) sont suspendues dans un cadre (6) lui-même relié par des moyens de suspension au support. L'actionneur et le détecteur sont montés chacun entre une des masses et le cadre. Procédé d'équilibrage d'un tel capteur pourvu d'au moins un détecteur d'effort monté entre le cadre et le support et d'au moins un ressort électrostatique (8) placé entre le cadre et l'une des masses et asservi pour assurer un équilibrage dynamique du capteur en fonction d'un signal de mesure du capteur d'effort.

Description

La présente invention concerne un capteur angu- laire inertiel vibrant tel qu'un gyromètre ou un gyroscope et un procédé d'équilibrage de ce capteur. L'invention concerne plus précisément les cap- teurs micro-électromécaniques dits également MEMS pour « microelectromechanical system ». Ces capteurs sont réalisés par gravure collective sur une plaque de matériau de très faible épaisseur : ils sont petits, légers et relativement peu coûteux, ce qui permet leur emploi dans de nombreux domaines d'application, aussi bien dans des produits techniques spécialisés que dans des produits grand public. Parmi les domaines d'application de ces capteurs figure la mesure inertielle de grandeurs angulaires tel- les que la position (gyroscopes) et la vitesse (gyromè- tres). Les capteurs inertiels angulaires vibrants de ty- pe MEMS se classent en deux familles selon la définition du résonateur. Le résonateur peut être un corps déforma- ble, généralement de révolution : anneau, cylindre, hé- misphère, disque. Le résonateur peut être également constitué de une ou plusieurs masses indéformables reliées à un support par des éléments élastiques. Chaque capteur comprend des actionneurs agencés pour mettre le résona- teur déformable ou le système masse / éléments élastiques en vibration à la fréquence de résonance du système et des détecteurs des déformations du résonateur déformable ou des mouvements du système masse / éléments élastiques sont montés entre le résonateur déformable ou le système masse / éléments élastiques et le support. Les performances de tout capteur inertiel vibrant découlent directement de la stabilité de l'anisotropie d'amortissement du résonateur. Cette stabilité est conditionnée par : - la constante de temps T (égale à la surtension mécanique Q divisée par n et par la fréquence f soit T = Q /(n.f)) du résonateur dont dépend la quantité d'énergie qu'il sera nécessaire de dépenser pour maintenir le résonateur en résonance, - l'équilibrage dynamique du résonateur pour, d'une part, limiter les pertes d'énergie vers l'extérieur du capteur et, d'autre part, limiter les perturbations de la vibration du résonateur par l'environnement vibratoire du capteur à la fréquence de fonctionnement.
Dans le domaine des capteurs vibrants de type MEMS, ceci se traduit par : - l'utilisation du silicium comme matériau pour obtenir une surtension relativement élevée, - la présence d'au moins deux masses montées sy- métriquement de telle manière que les masses se déplacent en opposition de phase en procurant ainsi un équilibrage au premier ordre. Les capteurs inertiels angulaires vibrants de ty- pe MEMS les plus performants comptent ainsi quatre masses disposées selon un motif carré. L'amélioration des performances de ces capteurs est toutefois limitée par les défauts de réalisation des capteurs. Ces défauts de réalisation engendrent un balourd dynamique résultant du déplacement du centre de gravité global des masses à la fréquence de vibration. Ce balourd dynamique provoque des forces de réaction dans le support et donc une perte d'énergie de la vibration. Ceci est d'autant plus gênant que la petite taille des capteurs augmente l'impact des défauts de réalisation sur la pré- cision des mesures. En effet, pour les MEMS, le ratio [défaut de réalisation / dimensions caractéristiques] est dégradé par rapport à un capteur macroscopique. Cela conduit à un balourd dynamique plus élevé relativement à la masse du résonateur.
La faible masse du résonateur a comme conséquence qu'elle rend difficile la mesure des défauts d'équilibrage dynamique car les efforts engendrés par le balourd sont trop faibles pour qu'on puisse les mesurer.
En outre, quand bien même on parvenait à effectuer cette mesure, il serait difficile de corriger le balourd par un enlèvement de matière localisé en raison de la petite taille du capteur. Une telle correction par enlèvement de matière présenterait en outre l'inconvénient qu'elle ne permettrait pas de compenser l'évolution du balourd en fonction de la température et du temps. Il est habituel de fixer rigidement un résonateur non équilibré sur une masse de recul importante au détriment de la sensibilité aux vibrations et de la tenue mé- canique. Dans le cas des résonateurs à plusieurs masses, il en résulte en outre une indépendance des masses d'épreuve. Le couplage mécanique permettant une compensation au premier ordre des déplacements des masses est alors assuré par des leviers reliant les masses entre el- les pour leur imposer un déplacement en opposition de phase. La réalisation du capteur est alors complexe et coûteuse. L'équilibrage est en outre rendu difficile par la multiplication des degrés de liberté résultant du nom- bre de masses et du nombre de leviers de couplage entre les masses qui entraînent une influence sur les autres masses de toute correction d'équilibrage effectuée sur une des masses. Pour les mêmes raisons, un équilibrage électronique au moyen d'un algorithme de correction est complexe à réaliser. L'invention résulte d'une approche différente ayant pour objet d'améliorer les capteurs inertiels angulaires vibrants de type MEMS. A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un capteur angulaire inertiel vibrant de type MEMS compre- nant un support d'au moins deux masses qui sont montées mobiles par rapport au support et qui sont associées à au moins un actionneur électrostatique et à au moins un détecteur électrostatique. Les masses sont suspendues dans un cadre lui-même relié par des moyens de suspension au support. L'actionneur et le détecteur sont montés chacun entre une des masses et le cadre. Ainsi, le couplage mécanique direct par des leviers entre les masses est supprimé. En effet, le cou- plage mécanique entre les masses est assuré dans l'invention par le cadre suspendu, ce qui simplifie la structure du capteur. De préférence, au moins un capteur d'effort est monté entre le cadre et le support et au moins un ressort électrostatique est monté entre le cadre et l'une des masses et est asservi pour assurer un équilibrage dynamique du capteur en fonction d'un signal de mesure du capteur d'effort. L'équilibrage peut être obtenu avec cette struc- ture en mesurant l'anisotropie (ou écart) de fréquence entre les deux systèmes masse/suspension et en supprimant cette anisotropie. La mesure de l'anisotropie peut être effectuée de manière indirecte en mesurant l'effet du balourd créé par l'anisotropie de fréquence. La correction d'équilibrage est effectuée de préférence en commandant le ressort électrostatique pour ajouter une raideur électrostatique négative à la raideur du système masse/suspension possédant la fréquence la plus élevée de manière à corriger l'écart intrinsèque de pulsation dû aux défauts de réalisation et aux évolutions temporelles et thermiques des paramètres de chacun des systèmes masse/suspension. Le réglage, basé sur un asservissement de zéro, ne nécessite pas de référence de tension précise ou de gains stables au niveau de l'électronique de traite- ment du capteur.
L'invention a également pour objet un procédé d'équilibrage de ce capteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limita- tifs de l'invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un pre- mier mode de réalisation du capteur de l'invention, - la figure 2 est une vue schématique illustrant le principe de fonctionnement de ce capteur, - la figure 3 est une vue schématique d'un deuxième mode de réalisation du capteur de l'invention, - la figure 4 est une vue schématique d'un troisième mode de réalisation du capteur de l'invention, - la figure 5 est une vue schématique d'un mode de réalisation d'une unité de commande du capteur de l'invention. En référence aux figures, l'invention concerne un capteur angulaire inertiel vibrant de type MEMS destiné à former un gyroscope ou un gyromètre. Le capteur de l'invention comprend un support 1 et au moins deux masses 2 qui sont montées mobiles par rapport au support 1 et qui sont associées à des actionneurs électrostatiques 3 et à des détecteurs électrosta- tiques 4. Les masses 2 sont suspendues via des moyens de suspension 5 dans un cadre 6 lui-même relié au support 1 par des moyens de suspension 7. Les moyens de suspension 5 et 7 sont isotropes dans le plan XY définissant le plan de suspension des masses du capteur et sont réalisés pour présenter une importante raideur selon l'axe normal au plan du capteur pour supprimer les degrés de libertés des masses 2 et du support 6 hors du plan. Chaque masse 2 et le support 6 disposent de trois degrés de liberté dans le plan, à savoir deux translations (selon les axes X et Y) et une rotation (autour d'un axe normal à ce plan X et Y) . Pour chacun des axes X et Y, un actionneur 3 et un détecteur 4 sont montés entre chacune des masses 2 et le cadre 6. Les actionneurs 3 et les détecteurs 4 ont une structure connue sous la forme d'électrodes en peignes dont les dents sont intercalées les unes entre les autres. Les peignes des actionneurs 3 et des détecteurs 4 peuvent avoir un mode de fonctionnement à entrefer varia- ble ou à surface variable. Les masses 2 sont identiques et de forme carrée sur les côtés de laquelle sont disposés les actionneurs 3 et les détecteurs 4. Les moyens de suspension 5 sont disposés aux sommets de chaque masse 2.
Deux ressorts électrostatiques 8 sont montés en- tre le cadre 6 et chacune des masses 2 de manière à agir respectivement selon les axes X et Y. Les ressorts électrostatiques 8 ont une structure connue sous la forme d'électrodes en peignes dont les dents sont intercalées les unes entre les autres. Les peignes des ressorts élec- trostatiques 8 ont un mode de fonctionnement à entrefer variable. Des détecteurs d'effet de balourd, ici plus par- ticulièrement des capteurs de force, sont intégrés aux moyens de suspension 7 pour fournir un signal de mesure représentatif des efforts transmis au support 1 par le cadre 6. Ces capteurs sont connus en eux-mêmes et peuvent être des jauges de contraintes piézorésistives ou piézoélectriques.
La fabrication du capteur de l'invention est ré- alisée à partir des techniques classiques de gravure des plaques de matériau semi-conducteur. Le matériau semiconducteur ici utilisé est le silicium. Les actionneurs 3 et les détecteurs 4 sont re- liés, par des conducteurs électriques connus en eux- mêmes, à une unité de commande 9, elle aussi connue en elle-même, qui est programmée pour commander les actionneurs 3 et traiter les signaux des détecteurs 4 de manière à assurer la détection de grandeur angulaire autour d'un axe normal au plan de déplacement des masses 2. Le ressort électrostatique 8 et les capteurs de force intégrés aux moyens de suspension 7 sont eux aussi reliés à l'unité de commande 9 qui est programmée pour asservir les ressorts électrostatiques 8 en fonction des signaux desdits capteurs de force démodulés en fonction de la fréquence de vibration des masses 2 pour supprimer le balourd à la fréquence de vibration de manière à assurer un équilibrage du capteur. Le fonctionnement de l'unité de commande est re- présenté sur la figure 5 dans la détermination de la va- riation de raideur Akn pour l'équilibrage du capteur se- lon un degré de liberté « n ». Il y est symbolisé une vibration elliptique de grande dimension « a » et de petite dimension « b ». Le grand axe de la vibration forme un angle e dans un repère XY. La mise en oeuvre du gyroscope conduit à la détermination des commandes Cl et C2 des actionneurs 3 en fonction des mouvements n1, n2 détectés par les capteurs 4. Sachant que les valeurs n1 = a.cosOcosp + q.sinOsinp et n2= a.sinesinp + q.cosOcos9, on en déduit une estimation de a, q, e et 9. Connaissant les efforts n détectés par les capteurs 7, l'unité de commande calcule les valeurs 11.coscp et fl.sing) pour arriver à la variation de raideur Akn servant de consigne pour piloter les ressorts électrostatiques 8.
Dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, les masses 2 sont au nombre de deux et sont montées côte-côte dans le cadre 6. Le cadre 6 est de forme rectangulaire et comprend deux logements 10 adjacents recevant chacun une des deux masses 2.
En référence plus particulièrement à la figure 2, le capteur selon le premier mode de réalisation est assimilable à deux systèmes masse/ressort (mi, kl) et (m2, k2) reliés au monde extérieur par un autre système masse/ressort (mo, ko) Le comportement du capteur est modélisable à par- tir des données suivantes (on note 5m et 5k respectivement un écart de masse et un écart de raideur) : ml in-( 1 HF ) : m2 :=m- (1 -- 87) kl := k. ( 1 1- aé) : k2 k. (1 - 8) : m0 := P.m: k101:= k-=UJ2m. La modélisation permet de calculer les fréquences des modes propres, le balourd du mode propre utile et la force de réaction de ce balourd sur le support. Il en résulte que le balourd est proportionnel à la masse m, au ratio ko/k noté a et à l'écart de pulsa- tions 5co des deux systèmes masses ressorts. Le balourd du mode utile vaut ainsi : balourd =2 m a 8w L'effort transmis au monde extérieur peut s'exprimer de manière similaire : effort= 2 k a 8w Il apparaît des formules précédentes qu'un équi- librage du capteur peut être réalisé, conformément à l'invention, à partir des étapes suivantes : - mesurer une anisotropie de fréquence entre les masses, l'étape de mesure étant réalisée en mesurant l'effort appliqué par le cadre au support du fait du ba- lourd du capteur résultant de défauts de réalisation, - corriger l'anisotropie de fréquence entre les masses. L'étape de correction est réalisée en commandant les ressorts électrostatiques 8 de manière à réduire cet effet : un asservissement exploitant la démodulation par rapport à la fréquence de la vibration des signaux des capteurs de force incorporés aux moyens de suspension 7 corrige les raideurs des ressorts électrostatiques 8 pla- cés entre les masses 2 et le cadre 6 pour supprimer le balourd à la fréquence de la vibration. La correction s'effectue ici plus précisément en ajoutant une raideur électrostatique négative à la rai- deur du système masse/ressort possédant la fréquence la plus élevée pour corriger l'écart intrinsèque de pulsa- tion dû aux défauts de réalisation et aux évolutions temporelles et thermiques des paramètres de chacun des systèmes masse/ressort. On notera que l'agencement du capteur permet d'obtenir deux modes propres selon l'axe X, à savoir mas- ses ml et m2 se déplaçant en phase et masses ml et m2 se déplaçant en opposition de phase, avec un déplacement faible de la masse mo, qui n'ont pas les mêmes fréquences. L'écart de fréquence est par exemple de l'ordre de 10 % si mo = 10*mu2 ou 25 % si mo = 4*m1/2. Ceci confirme la possibilité de simplifier la structure, en n'utilisant pas de leviers de couplages mécaniques entre les masses, sans risque d'accrochage entre les deux modes propres lors du fonctionnement.
Il est ainsi possible de fabriquer un gyromètre boucle fermée à 2 masses vibrantes avec un asservissement à 0 du mouvement sur la voie Coriolis Y. Ceci permet d'utiliser un mode propre non équilibré au premier ordre pour cette voie.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, les masses 2 sont au nombre de quatre disposées selon un motif carré et un ressort électrostatique 8 est placé entre le cadre 6 et chacune des quatre masses 2, pour chacun des axes X et Y. Le cadre 6 est de forme carrée et com- prend quatre logements 10 adjacents recevant chacun une des masses 2. Dans ce mode de réalisation, le capteur est éga- lement équilibré au premier ordre sur l'axe Y du fait de l'agencement à quatre masses. Ce capteur peut donc être utilisé en mode gyroscope et profiter de l'avantage in- trinsèque de ce mode qui est la stabilité de la dérive moyenne. Dans le mode de réalisation de la figure 4, les masses 2.1, 2.2 sont au nombre de deux et sont agencées pour pouvoir être montées concentriquement. Le cadre 6 est de forme carrée et les masses 2.1, 2.2 de forme annulaire carrée sont placées de part et d'autre du cadre 6. Les masses 2.1, 2.2 ont donc des formes de cadre d'axes de symétrie confondus possédant des fréquences propres identiques. De préférence, les masses des cadres 2.1, 2.2 sont identiques et les moyens de suspension des masses 2.1, 2.2 ont des raideurs identiques. Ceci permet de respecter les hypothèses des équations de modélisation dynamique présentées plus haut.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. Il est possible d'avoir des ressorts électrosta- tiques asservis sur toutes les masses 2 ou sur toutes les masses 2 sauf une. L'effet du balourd mesuré peut être un effort ap- pliqué par le cadre 6 au support 1, une accélération du cadre 6 par rapport au support 1, une vitesse du cadre 6 par rapport au support 1, un déplacement du cadre 6 par rapport au support 1 ou autre. Le capteur peut avoir une forme différente de celle décrite. Les masses et le cadre peuvent avoir, dans le plan du capteur, des formes polygonales ou au moins partiellement courbes, pouvant être décrites par quatre rotations de 90° d'un motif représentant un quart de la géométrie. Au moins un actionneur électrostatique et au moins un détecteur électrostatique peuvent être placés entre le cadre 6 et le support 1 pour réaliser un amor- tissement actif, connu en lui-même, de la suspension 7 du cadre 6. L'invention concerne également un capteur dont les masses seraient suspendues dans un cadre et qui se- rait dépourvu des moyens d'équilibrage actifs décrits en relation avec le mode de réalisation représenté aux figures.

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS1. Capteur angulaire inertiel vibrant de type MEMS comprenant un support (1) d'au moins deux masses (2) qui sont montées mobiles par rapport au support et qui sont associées à au moins un actionneur électrostatique (3) et à au moins un détecteur électrostatique (4), caractérisé en ce que les masses sont suspendues dans un cadre (6) lui-même relié par des moyens de suspension au support, et en ce que l'actionneur électrostatique et le détecteur électrostatique sont montés chacun entre une des masses et le cadre.
  2. 2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel les masses (2) sont au nombre de deux.
  3. 3. Capteur selon la revendication 2, dans lequel les masses (2) sont montées côte-côte dans le cadre (6).
  4. 4. Capteur selon la revendication 2, dans lequel les masses (2) sont agencées pour pouvoir être montées concentriquement de part et d'autre du cadre (6).
  5. 5.Capteur selon la revendication 2, dans lequel au moins un ressort électrostatique (8) est monté, entre le cadre et au moins une des masses, pour chacun des deux axes définissant un plan de suspension des masses, les ressorts électrostatiques (8) sont de préférence au nom- bre de quatre et sont montés chacun entre le cadre (6) et chacune des masses (2).
  6. 6. Capteur selon la revendication 1, dans lequel les masses (2) sont au nombre de quatre disposées selon un motif carré.
  7. 7. Capteur selon la revendication 6, dans lequel un ressort électrostatique (8) est monté, entre le cadre et au moins trois des masses, pour chacun des deux axes définissant un plan de suspension des masses, les ressorts électrostatiques (8) sont de préférence au nombre de huit et sont montés chacun entre le cadre (6) et cha-cune des masses (2).
  8. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins un détecteur d'effet de balourd est monté entre le cadre et le support et au moins un ressort électrostatique (8) est placé en- tre le cadre et l'une des masses et est asservi pour assurer un équilibrage dynamique du capteur en fonction d'un signal de mesure du détecteur d'effet de balourd.
  9. 9. Procédé d'équilibrage d'un capteur selon la revendication 8, comprenant les étapes de mesurer et de corriger une anisotropie de fréquence entre les masses (2) due à des défauts de réalisation, l'étape de mesure étant réalisée en mesurant un effet produit par un balourd du capteur résultant de l'anisotropie de fréquence et l'étape de correction étant réalisée en asservissant la commande du ressort électrostatique (8) de manière à réduire cet effet.
  10. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'effet du balourd mesuré est un effort appliqué par le cadre (6) au support (1).
  11. 11. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'effet du balourd mesuré est une accélération du cadre (6) par rapport au support (1).
  12. 12. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'effet du balourd mesuré est une vitesse du cadre (6) par rapport au support (1).
  13. 13. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'effet du balourd mesuré est un déplacement du cadre (6) par rapport au support (1).30
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