FR3031187A1

FR3031187A1 - Capteur d'inertie hybride a atomes froids et mems et centrale inertielle associee

Info

Publication number: FR3031187A1
Application number: FR1403026A
Authority: FR
Inventors: Sylvain Schwartz; Matthieu Dupont-Nivet
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2016-07-01
Anticipated expiration: 2034-12-30
Also published as: WO2016107806A1; FR3031187B1

Abstract

Le domaine général de l'invention est celui des dispositifs de mesure d'un paramètre d'inertie. Le dispositif selon l'invention comprend un premier capteur (20) de type microsystème électromécanique fonctionnant à une première fréquence et un second capteur de type dispositif à atomes froids fonctionnant à une seconde fréquence inférieure à la première fréquence de mesure. Le dispositif selon l'invention comporte de plus une électronique de comparaison comprenant : des premiers moyens de calcul fonctionnant à la seconde fréquence et calculant, à partir d'une première mesure issue du premier capteur et d'une seconde mesure issue du second capteur, un biais entre ladite première mesure et ladite seconde mesure et ; des seconds moyens de calcul fonctionnant à la première fréquence, et calculant des mesures dudit paramètre d'inertie, chacune desdites mesures calculées étant égale à une première mesure issue du premier capteur corrigée dudit biais. Ce type de dispositif est bien adapté à la réalisation de centrales inertielles.

Description

1 Capteur d'inertie hybride à atomes froids et MEMS et centrale inertielle associée Le domaine de l'invention est celui de la navigation inertielle. L'objet d'une centrale inertielle est de fournir les informations de vitesse angulaire et d'accélération d'un véhicule en mouvement. Le domaine d'application privilégiée est l'aéronautique.

Une centrale inertielle comporte donc des gyromètres et des accéléromètres pour assurer les mesures nécessaires. Il existe actuellement deux catégories de centrales inertielles selon les niveaux de performance et d'encombrement requis. Les centrales inertielles haut de gamme sont généralement réalisées à base de gyromètres optiques. Elles présentent l'inconvénient d'avoir un encombrement qui peut être important, voire rédhibitoire pour certaines applications. Les centrales inertielles à base de capteurs micro-électromécaniques, encore appelés « MEMS », acronyme signifiant « Micro Electro Mechanical Systems », sont de taille significativement réduite par rapport aux technologies optiques. Cependant, ces capteurs présentent des niveaux de dérive du biais importants. Typiquement, la dérive est de l'ordre du degré par heure pour les meilleurs gyromètres à MEMS, ce qui restreint leurs applications aux domaines de la basse et de la moyenne performance. On trouvera plus d'informations sur ce type de MEMS dans la publication intitulée « Performance of MEMS inertial sensors » de Kourepenis et al, publiée dans IEEE PLANS April 1998. Des capteurs inertiels extrêmement stables sur le long terme ont été développés ces dernières années utilisant des techniques d'interférométrie atomique avec des atomes refroidis par laser. Il est aujourd'hui possible de réaliser ce type de capteur dans un encombrement réduit. Les atomes sont alors piégés au voisinage d'un substrat ou « puce atomique » tout au long du cycle de détection. Une architecture de ce type présente potentiellement, par rapport aux capteurs utilisant des atomes froids en chute libre, les avantages d'une grande compacité. Cependant, les capteurs à atomes froids ont un niveau de bande passante réduit, typiquement de l'ordre de l'hertz. En effet, la précision de mesure dépend du temps de séparation des atomes froids qui peut difficilement être réduit sans 303 1 1 8 7 2 nuire à la précision de la mesure. Or, pour certaines applications, cette cadence de mesure est trop faible. Dans la publication « Hybridizing matter-wave and classical accelerometers » de Lautier et al, publiée dans Applied Physics Letters 5 105,144102(2014), l'hybridation d'un accéléromètre et d'un gravimètre atomique a été proposée. Dans l'hybridation décrite, l'accéléromètre est utilisé pour asservir le miroir de renvoi d'un gravimètre atomique fonctionnant par interférométrie. Cette disposition permet d'obtenir à la fois une grande précision de mesure et une bande passante plus importante que celle d'un 10 gravimètre non asservi. Cependant, cette application est limitée à la gravimétrie avec des atomes en chute libre et ne peut s'appliquer facilement à la mesure d'autres paramètres inertiels. Par ailleurs, ce dispositif reste un dispositif de laboratoire. Enfin, ce dispositif présente l'inconvénient d'asservir le système complexe d'un capteur à atomes froids.

15 Le dispositif de mesure d'un paramètre d'inertie selon l'invention est également un dispositif hybride qui réunit à la fois un capteur micro-électromécanique et un capteur à atomes froids sur puce. Cependant, il peut s'appliquer à tous types de MEMS et de capteurs à atomes froids dans la mesure où ce dispositif n'est pas dédié à un paramètre particulier ou à une 20 technologie particulière. En combinant les mesures d'un même paramètre inertiel réalisées par deux capteurs de nature différente, on obtient à la fois la précision des systèmes à atomes froids et la bande passante des capteurs à MEMS. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de mesure 25 d'un paramètre d'inertie comprenant un premier capteur de mesure dudit paramètre d'inertie, ledit premier capteur étant un microsystème électromécanique fonctionnant à une première fréquence, caractérisé en ce que ledit dispositif de mesure comporte : un second capteur de mesure dudit paramètre d'inertie, ledit 30 second capteur étant un dispositif à atomes froids fonctionnant à une seconde fréquence de mesure inférieure à la première fréquence de mesure, et ; une électronique de comparaison comprenant : des premiers moyens de calcul fonctionnant à la seconde 35 fréquence de mesure et calculant, à partir d'une première mesure issue du 3031187 3 premier capteur et d'une seconde mesure issue du second capteur, un biais entre ladite première mesure et ladite seconde mesure et ; des seconds moyens de calcul fonctionnant à la première fréquence de mesure, et calculant des mesures dudit paramètre d'inertie, 5 chacune desdites mesures calculées étant égale à une première mesure issue du premier capteur corrigée dudit biais. Avantageusement, la correction du biais est une correction électronique effectuée par les seconds moyens de calcul. Avantageusement, la correction du biais est obtenue par une 10 modification d'un ou de plusieurs paramètres physiques du premier capteur. Avantageusement, les paramètres physiques sont les tensions des électrodes de commande du microsystème électromécanique. Avantageusement, le paramètre physique est la température du microsystème électromécanique.

15 Avantageusement, le second capteur comporte une puce électronique comportant des fils conducteurs parallèles et des moyens d'alimentation électrique desdits fils conducteurs, le nuage d'atomes froids nécessaire à la mesure étant disposé au voisinage de ladite puce électronique, les fils conducteurs et leurs moyens d'alimentation étant 20 agencés de façon à créer les champs électromagnétiques nécessaires à la superposition d'états internes des atomes, à leur séparation et à leur recombinaison. Avantageusement, le premier capteur est implanté sur ladite puce électronique.

25 Avantageusement, la puce électronique est agencée de façon à mesurer au moins un second paramètre d'inertie. Avantageusement, le paramètre d'inertie est soit une accélération, soit une vitesse de rotation. L'invention a également pour objet une centrale inertielle 30 comprenant trois accéléromètres agencés de façon à mesurer l'accélération dans trois directions de l'espace non coplanaires et trois gyromètres agencés de façon à mesurer la vitesse de rotation dans trois directions de l'espace non coplanaires. Au moins un des accéléromètres ou un des gyromètres de ladite centrale inertielle est un dispositif de mesure d'un paramètre d'inertie comme décrit ci-dessus.

3031187 4 Avantageusement, les trois accéléromètres et les trois gyromètres sont des dispositifs de mesure d'un paramètre d'inertie comme décrit ci-dessus.

5 L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 représente le synoptique d'un dispositif de mesure d'un paramètre d'inertie selon l'invention comportant deux capteurs d'inertie ; 10 La figure 2 représente une vue d'une implantation des deux capteurs d'inertie sur une même puce électronique. A titre d'exemple, la figure 1 représente le synoptique d'un dispositif de mesure d'un paramètre d'inertie selon l'invention. Sur cette 15 figure, les dispositifs sont représentés encadrés et les flèches représentent le sens de transmission des informations. Le dispositif de mesure comporte essentiellement : - Un premier capteur de type microsystème électromécanique mesurant ledit paramètre d'inertie. Ce capteur fonctionne à une première 20 fréquence F1 et on note M1(t) les mesures issues de ce capteur en fonction du temps t ; - un second capteur de type dispositif à atomes froids mesurant également ledit paramètre d'inertie. Ce capteur fonctionne à une seconde fréquence de mesure F2 inférieure à la première fréquence de mesure F1.

25 Typiquement, F2 est de l'ordre du Hertz. On note M2(t) les mesures issues de ce capteur en fonction du temps t ; - Une électronique de comparaison qui a deux fonctions. Sa première fonction est de comparer à une cadence qui est celle de la seconde fréquence, les mesures issues du premier et du second capteur. Sa seconde 30 fonction est de calculer une mesure du paramètre d'inertie à la première fréquence. On sait que, par nature, les dispositifs à atomes froids donnent des mesures d'une grande stabilité. Par conséquent, à un instant to de mesure, la mesure M2(to) est considérée comme une mesure exacte du 35 paramètre. Généralement, le premier capteur étant moins précis que le 3031187 5 second, sa mesure M1(to) à cet instant to est différente de M2(to). On appelle B(to) le biais qui existe entre ces deux mesures et on a la relation simple : M2(to) = M1(to) + B(to) Entre cette première mesure réalisée à l'instant to et la mesure 5 suivante réalisée par le second capteur, il s'écoule une période de temps T2 qui vaut 1/F2. Avec une cadence de mesure à 1 Hertz, T2 vaut 1 seconde. Pendant cette durée T2, même si le premier capteur dérive, son biais reste pratiquement constant. Ainsi, on peut considérer qu'à tout instant t choisi entre to et to +T2, la mesure issue du premier capteur est exacte à condition 10 qu'elle soit corrigée du biais B(to). On peut alors écrire, en notant MvRA1E(t) la mesure exacte à l'instant t : MvRAIE(t) = M1(t) + B(to) Ainsi, la connaissance du biais à la fréquence F2 permet, à partir de la mesure effectuée par le premier capteur de connaître la mesure vraie à 15 la fréquence F1 qui peut être beaucoup plus importante que la fréquence F2 et qui n'est limitée que par les caractéristiques du capteur MEMS. La correction du biais peut se faire de façon électronique. On calcule périodiquement le biais entre les deux capteurs et on en tient compte 20 dans le calcul de la mesure finale. Elle peut également être obtenue par une modification d'un ou de plusieurs paramètres physiques du premier capteur. On peut ainsi agir sur les tensions des électrodes de commande du microsystème électromécanique ou réguler sa température de façon à ramener le biais au voisinage de zéro.

25 Le dispositif à atomes froids peut être de différentes natures. Cependant, il est intéressant de privilégier les architectures compactes, par exemple à atomes piégés, notamment sur puce électronique qui permettent l'intégration du capteur MEMS sur la même puce électronique.

30 Un capteur à atomes froids de ce type comporte une partie centrale constituée d'une enceinte à vide dont toutes les parois sont transparentes, sauf la paroi supérieure qui est constituée d'une puce sur laquelle ont été déposés des fils conducteurs. Cette puce 10 est représentée sur la vue en perspective de la figure 2. Dans le cas de la figure 2, le 35 paramètre inertiel mesuré est l'accélération dont la direction est symbolisée par quatre chevrons sur la figure 2. Dans cette version, la puce électronique 303 1 1 8 7 6 comporte également le capteur MEMS 20 qui est dans ce cas, un accéléromètre. Les atomes servant à la mesure, initialement en phase gazeuse à température ambiante dans l'enceinte, sont piégés et refroidis à l'aide de six 5 faisceaux laser disposés symétriquement deux à deux sur trois axes perpendiculaires deux à deux combinés à un gradient de champ magnétique généré par des bobines magnétiques extérieures. Les six faisceaux laser sont disposés symétriquement sur trois axes perpendiculaires. L'ensemble des faisceaux laser et des bobines magnétiques est appelé piège magnéto-10 optique tridimensionnel ou « PMO 3D ». A la fin de la phase de refroidissement et de piégeage, les atomes sont transférés dans un piège conservatif purement magnétique créé au voisinage des fils conducteurs de la puce 10 et préparés dans un état interne, par exemple 11 >. A l'issue de cette phase, les atomes sont situés à 15 une position spatiale initiale au-dessus de la puce électronique 10. Comme on le voit sur la figure 2, la puce électronique 10 comporte au moins un premier fil conducteur central 11 utilisé comme fil de piégeage principal, un second fil conducteur 12 perpendiculaire au premier fil et utilisé comme fil de piégeage secondaire, deux guides d'onde 13 latéraux parallèles 20 entre eux, parallèles au fil de piégeage secondaire 12 et disposés symétriquement par rapport à celui-ci. Le nuage d'atomes 15 étant situé au-dessus du premier fil conducteur 11, ledit premier fil conducteur étant traversé par un premier courant et générant un champ magnétostatique, le premier guide d'onde 13 étant traversé par un second courant modulé à une 25 seconde fréquence micro-onde générant un second champ micro-onde et le second guide d'onde 13 étant traversé par un troisième courant modulé à une troisième fréquence micro-onde, générant un troisième champ micro-onde. Cette disposition permet de séparer et de recombiner magnétiquement le nuage atomique. Le procédé de séparation-recombinaison est détaillé ci- 30 dessous. Dans une première étape, les atomes sont transférés dans une superposition à poids égaux des états internes 11> et 12>, par une impulsion de durée courte dite impulsion 7c/2 combinant un champ micro-onde et un champ radiofréquence générés, par exemple, par les lignes conductrices 13 35 de la puce 10. Chaque atome est alors dans un état intermédiaire résultant noté (11> + 12>)/ '12.

3031187 7 Dans une seconde étape, les atomes sont séparés en deux paquets d'onde associés aux états internes 11> et 12>, grâce à un potentiel micro-onde MW dépendant de l'état interne. C'est cette phase de séparation atomique qui est représentée sur la figure 2. Le champ micro-onde utilisé 5 pour la séparation est généré par les deux guides d'onde coplanaires ou CPW 13. La séparation est suivant la direction de l'accélération de façon à être le plus sensible possible. La distance de séparation s des atomes est de l'ordre d'une ou de plusieurs dizaines de micromètres. La séparation pendant un temps Ts entraîne un déphasage entre les deux paquets d'onde lié à 10 l'accélération locale. Dans une troisième étape, les atomes sont recombinés par la suppression des champs micro-ondes appliqués. Le déphasage est ensuite converti en différence de population entre les états internes au moyen d'une seconde impulsion « 7r/2 ».

15 Le nuage atomique est détecté en utilisant la technique d'imagerie par absorption qui consiste à mesurer à l'aide d'une caméra CCD l'absorption d'un faisceau laser quasi-résonant par le nuage atomique. On a ainsi accès, par spectroscopie optique, aux populations des deux états internes donc au déphasage recherché. Alternativement, les populations des 20 deux états internes peuvent être mesurées par fluorescence à l'aide de photodiodes. Enfin, on calcule l'accélération qui est ensuite comparée à celle obtenue par l'accéléromètre à MEMS. Le dispositif selon l'invention combinant deux types de capteurs 25 permet de mesurer les accélérations et les vitesses de rotation à une cadence de mesure importante et avec une haute précision. Une centrale inertielle comporte trois capteurs d'accélération et trois capteurs de rotation. On peut réaliser une centrale inertielle à partir de ce type de dispositif de mesure, soit en totalité, soit partiellement. Un des 30 avantages des capteurs à atomes froids sur puce électronique est que, non seulement, il est possible d'intégrer sur la même puce un ou plusieurs MEMS mais l'on peut également mesurer avec la même puce différents paramètres d'inertie selon les champs électromagnétiques générés dans les fils conducteurs. On simplifie ainsi considérablement la réalisation de la centrale 35 inertielle.

3031187 8 Les applications industrielles de cette centrale inertielle concernent notamment les dispositifs nécessitant un guidage inertiel de précision dans des environnements où le « GPS », acronyme de « Global Positioning System » peut être absent pendant des temps relativement 5 longs, de l'ordre de plusieurs dizaines de minutes. De telles absence de GPS peuvent être accidentelles dues, par exemple, à une mauvaise réception ou intentionnelles, le signal GPS étant alors brouillé.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure d'un paramètre d'inertie comprenant un premier capteur de mesure (20) dudit paramètre d'inertie, ledit premier capteur étant un microsystème électromécanique fonctionnant à une première fréquence, caractérisé en ce que ledit dispositif de mesure 5 comporte : un second capteur de mesure dudit paramètre d'inertie, ledit second capteur étant un dispositif à atomes froids fonctionnant à une seconde fréquence de mesure inférieure à la première fréquence de mesure, et ; 10 une électronique de comparaison comprenant : des premiers moyens de calcul fonctionnant à la seconde fréquence de mesure et calculant, à partir d'une première mesure issue du premier capteur et d'une seconde mesure issue du second capteur, un biais entre ladite première mesure et ladite seconde mesure et ; 15 des seconds moyens de calcul fonctionnant à la première fréquence de mesure, et calculant des mesures dudit paramètre d'inertie, chacune desdites mesures calculées étant égale à une première mesure issue du premier capteur corrigée dudit biais. 20
2. Dispositif de mesure d'un paramètre d'inertie selon la revendication 1, caractérisé en ce que la correction du biais est une correction électronique effectuée par les seconds moyens de calcul.
3. Dispositif de mesure d'un paramètre d'inertie selon la 25 revendication 1, caractérisé en ce que la correction du biais est obtenue par une modification d'un ou de plusieurs paramètres physiques du premier capteur.
4. Dispositif de mesure d'un paramètre d'inertie selon la 30 revendication 3, caractérisé en ce que les paramètres physiques sont les tensions des électrodes de commande du microsystème électromécanique. 3031187 10
5. Dispositif de mesure d'un paramètre d'inertie selon la revendication 3, caractérisé en ce que le paramètre physique est la température du microsystème électromécanique.
6. Dispositif de mesure d'un paramètre d'inertie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second capteur comporte une puce électronique (10) comportant des fils conducteurs parallèles (12, 13) et des moyens d'alimentation électrique desdits fils conducteurs, le nuage d'atomes froids nécessaire à la mesure étant disposé au voisinage de ladite puce électronique, les fils conducteurs et leurs moyens d'alimentation étant agencés de façon à créer les champs électromagnétiques nécessaires à la superposition d'états internes des atomes, à leur séparation et à leur recombinaison.
7. Dispositif de mesure d'un paramètre d'inertie selon la revendication 6, caractérisé en ce que le premier capteur (20) est implanté sur ladite puce électronique.
8. Dispositif de mesure d'un paramètre d'inertie selon la revendication 6, caractérisé en ce que la puce électronique est agencée de façon à mesurer au moins un second paramètre d'inertie.
9. Dispositif de mesure d'un paramètre d'inertie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le paramètre d'inertie est 25 soit une accélération, soit une vitesse de rotation.
10. Centrale inertielle comprenant trois accéléromètres agencés de façon à mesurer l'accélération dans trois directions de l'espace non coplanaires et trois gyromètres agencés de façon à mesurer la vitesse de 30 rotation dans trois directions de l'espace non coplanaires, caractérisé en ce que au moins un des accéléromètres ou un des gyromètres de ladite centrale inertielle est un dispositif de mesure d'un paramètre d'inertie selon l'une des revendications précédentes. 3031187 11
11. Centrale inertielle selon la revendication 10, caractérisé en ce que les trois accéléromètres et les trois gyromètres sont des dispositifs de mesure d'un paramètre d'inertie selon l'une des revendications 1 à 9.