FR3105399A1 - Dispositif electronique comportant une centrale inertielle - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un dispositif électronique (1) comportant une carte électronique (2) et une centrale inertielle montée sur la carte électronique (2), la centrale inertielle comprenant au moins un capteur gyrométrique et/ou au moins un capteur accélérométrique. Selon l’invention, le dispositif électronique (1) comporte en outre un matériau polymère (6), ledit matériau polymère (6) étant disposé sur la carte électronique (2) de sorte à former une enveloppe qui recouvre au moins la centrale inertielle. Figure de l’abrégé : Fig. 1

Description

DISPOSITIF ELECTRONIQUE COMPORTANT UNE CENTRALE INERTIELLE
La présente invention concerne un dispositif électronique comportant une carte électronique et une centrale inertielle montée sur la carte électronique. Le dispositif électronique est par exemple un capteur de mouvement, sans que cela ne soit limitatif dans le cadre de la présente invention.
Etat de la technique
Les centrales inertielles sont des dispositifs électroniques qui permettent de mesurer des forces, des vitesses angulaires et des orientations en combinant des données issues d’accéléromètres, de gyroscopes et parfois de magnétomètres. Ces différents capteurs sont connus pour dériver dans le temps, c’est-à-dire qu’ils se décalent dans le temps de leur position de référence et que les données qui en sortent sont de moins en moins exactes au fil du temps et des mouvements.
Dans le domaine des centrales inertielles, il est connu que certaines centrales inertielles soient constituées d’un microsystème électromécanique, aussi appelé MEMS (de l’anglais «MicroElectroMechanical Systems »). Un tel microsystème MEMS comprend un ou plusieurs composants électromécaniques. Dans de telles centrales inertielles sous forme de MEMS, l’usage d’un magnétomètre permet de limiter la dérive des données dans le temps, en se référant au champ magnétique terrestre. Un tel magnétomètre permet de connaître de manière fiable l’orientation de la centrale inertielle et sa mesure ne dérive pas, contrairement au gyroscope et à l’accéléromètre. Pour autant ce champ magnétique terrestre peut être perturbé par l’environnement, en fonction de l’environnement où est utilisée la centrale inertielle. Or, cette fluctuation étant très difficile à prévoir, les centrales inertielles MEMS intégrant un magnétomètre continuent de dériver dès que l’environnement induit un champ magnétique fluctuant, comme c’est le cas par exemple lorsque la centrale inertielle est proche d’une source métallique, ou encore d’un aimant. Cette dérive rend en pratique impossible la réalisation de mesures fiables dans le temps.
Pour répondre à cette problématique, il est connu des dispositifs électroniques intégrant une centrale inertielle dans laquelle un système de compensation de la dérive du gyroscope et de l’accéléromètre en fonction de la température a été prévu. En effet, il a été constaté que les fluctuations de températures de ces capteurs, même minimes, ont une influence importante sur la qualité de la mesure. Un tel système de compensation, qui permet de se passer de magnétomètre (et donc de s’affranchir de la complexité inhérente au traitement des fluctuations de champ magnétique terrestre, par essence imprévisibles), est par exemple décrit dans le document brevet FR 3037672 B1.
Dans ce document le dispositif électronique comporte, outre la centrale inertielle, une carte électronique. Le système de compensation comprend un composant de régulation thermique monté sur la carte électronique à proximité de la centrale inertielle, et relié à cette dernière via un guide thermique. Le système comprend également un capteur de température configuré pour mesurer la température de la centrale inertielle. Le composant de régulation thermique est relié au capteur de température via une boucle d’asservissement. Un tel système de compensation permet de stabiliser la température de la centrale inertielle par réchauffement de cette dernière via l’utilisation du composant de régulation thermique, ceci afin de garantir une température souhaitée pour la centrale. Toutefois, un inconvénient d’un tel système est que la centrale inertielle n’est pas isolée de l’influence de certaines conditions climatiques, dont l’humidité. Ceci peut créer des pertes par convexion, de telles pertes étant préjudiciables à l’uniformité de la température au sein et autour de la centrale inertielle. En outre la présence d’un guide thermique, sous forme généralement d’une plaque métallique, augmente les coûts de fabrication ainsi que l’encombrement du système, et complexifie sa fabrication.
L’invention a donc pour but de fournir un dispositif électronique à centrale inertielle palliant les inconvénients susmentionnés et permettant notamment d’uniformiser la température au sein et autour de la centrale inertielle, afin d’améliorer la qualité des mesures et ce sans recourir à un magnétomètre.
A cet effet, l’invention concerne un dispositif électronique comportant une carte électronique et une centrale inertielle montée sur la carte électronique, la centrale inertielle comprenant au moins un capteur gyrométrique et/ou au moins un capteur accélérométrique, le dispositif électronique comportant en outre un matériau polymère, ledit matériau polymère étant disposé sur la carte électronique de sorte à former une enveloppe qui recouvre au moins la centrale inertielle.
Grâce à la présence du matériau polymère, qui recouvre au moins la centrale inertielle, cette dernière est isolée des conditions climatiques extérieures telles que l’humidité et la température. Le matériau polymère permet également de limiter les pertes par convexion de la centrale inertielle, et permet ainsi d’obtenir une uniformisation de la température au sein et autour de cette dernière et entre la centrale inertielle et la carte électronique. Ceci permet ainsi d’éviter les déformations mécaniques de l’ensemble, dues à la dilatation thermique, offrant ainsi une amélioration dans la qualité des mesures.
Avantageusement, un découpage est pratiqué dans la carte électronique, autour de la centrale inertielle, de sorte à former un îlot de support par dégagement de matière au niveau de la carte électronique, la centrale inertielle étant montée sur l’îlot de support, l’îlot de support et le reste de la carte électronique étant venus de matière en étant reliés par un pont. Une telle configuration permet de limiter la transmission à la centrale inertielle des déformations mécaniques que subit la carte électronique. En effet, la carte électronique peut subir des déformations mécaniques qui peuvent être causées par exemple par ses fixations au boîtier du dispositif électronique, par une contrainte externe telle que l’appui par l’utilisateur sur le boîtier ou encore par un phénomène d’expansion thermique. En outre, une telle configuration permet de limiter les échanges thermiques entre la centrale inertielle et le reste du dispositif (et donc les perturbations de la centrale inertielle pouvant en résulter), et inversement. Un tel découpage dans la carte électronique est avantageusement obtenu via le même procédé que celui utilisé pour former la carte électronique. Ceci permet d’obtenir une miniaturisation ainsi qu’une réduction des coûts de fabrication. L’îlot et le pont peuvent être avantageusement dimensionnés, et leur forme calculée, de sorte à obtenir une réponse fréquentielle spécifique aux vibrations externes et à minimiser les pertes thermiques par conduction dans le pont.
Avantageusement, le matériau polymère forme une enveloppe fermée s’étendant de part et d’autre de la carte électronique et encapsulant la centrale inertielle ainsi que l’îlot de support. Ceci permet d’améliorer encore l’uniformisation de la température au sein et autour de la centrale inertielle.
Avantageusement, le dispositif électronique comporte en outre une sonde de température configurée pour mesurer la température de la centrale inertielle, et au moins un composant de régulation thermique monté sur la carte électronique à proximité de la centrale inertielle, ledit au moins un composant de régulation thermique étant relié à la sonde de température via une boucle d’asservissement. Ceci permet de stabiliser la température au sein de la centrale inertielle en compensant les variations de température. En outre, la combinaison entre ces caractéristiques et la présence du matériau polymère permet avantageusement de se passer de guide thermique sous forme de plaque métallique. Enfin, la présence du matériau polymère crée un couplage thermique ce qui permet d’uniformiser le gradient en température et d’améliorer ainsi la conduction thermique entre la centrale inertielle et le composant de régulation thermique.
Selon une caractéristique technique particulière de l’invention, le matériau polymère recouvre en outre ledit au moins un composant de régulation thermique.
Selon une autre caractéristique technique particulière de l’invention, le matériau polymère est choisi parmi le groupe consistant en: un époxy, un silicone, un polyuréthane et un fluide de Bingham.
Avantageusement, le matériau polymère présente une conduction thermique comprise entre 0,2 W/m.K et 3 W/m.K. Une telle plage de valeurs pour la conduction thermique permet d’optimiser la relation entre l’isolement assuré par le matériau polymère vis-à-vis de la convexion extérieure, et le couplage thermique par conduction.
Avantageusement, le matériau polymère présente un coefficient de dilatation thermique compris entre 10 ppm/K et 100 ppm/K. Une telle plage de valeurs pour le coefficient de dilatation thermique permet de limiter les contraintes et efforts mécaniques avec la carte électronique en limitant la différence de coefficients entre la carte électronique et le matériau polymère.
Selon une caractéristique technique particulière de l’invention, la centrale inertielle est constituée d’un microsystème électromécanique MEMS comprenant un ou plusieurs composants électromécaniques.
Selon une autre caractéristique technique particulière de l’invention, le dispositif électronique est un capteur de mouvement.
Brève description des figures
Les buts, avantages et caractéristiques du dispositif électronique à centrale inertielle selon l’invention, apparaîtront mieux dans la description suivante sur la base d’au moins une forme d’exécution non limitative illustrée par les dessins sur lesquels:
est une vue en perspective d’un dispositif électronique à centrale inertielle selon un mode de réalisation de l’invention;
est une vue de dessus du dispositif électronique de la figure 1 ;
est une vue de côté du dispositif électronique de la figure 1 ; et
est une vue en coupe du dispositif électronique de la figure 3, prise selon le plan de coupe IV-IV.
Description détaillée de l’invention
Les figures 1 à 4 représentent un dispositif électronique 1 comprenant une carte électronique 2, une centrale inertielle 4 montée sur la carte électronique 2 (cette dernière étant visible sur la figure 4), et un matériau polymère 6. De préférence, le dispositif électronique 1 comprend également une sonde de température et au moins un composant de régulation thermique, de tels éléments n’étant pas représentés sur les figures pour des raisons de clarté. Dans un exemple de réalisation particulier, la sonde de température est intégrée au sein d’un seul et même composant électromécanique MEMS (de l’anglais MicroElectroMechanical System). Le dispositif électronique 1 est par exemple un capteur de mouvement, sans que cela ne soit limitatif dans le cadre de la présente invention.
La carte électronique 2 est typiquement une carte à circuit imprimé. Dans le mode de réalisation préférentiel illustré sur les figures 1 à 4, un découpage 8 est pratiqué dans la carte électronique 2, autour de la centrale inertielle 4. Ce découpage 8 forme un îlot de support 10 par dégagement de matière au niveau de la carte électronique 2. Dans l’exemple illustratif des figures 1 et 2, le découpage 8 présente une forme sensiblement rectangulaire. En variante non représentée, toute autre forme géométrique peut être envisagée pour le découpage 8. Un tel découpage 8 dans la carte électronique 2 est avantageusement obtenu via le même procédé que celui utilisé pour former la carte électronique 2 elle-même. Ceci permet d’obtenir une miniaturisation ainsi qu’une réduction des coûts de fabrication, car aucun composant additionnel en plus de la carte 2 elle-même n’est nécessaire pour obtenir cette isolation de la centrale inertielle 4 vis-à-vis du reste de la carte 2.
L’îlot de support 10 et le reste de la carte électronique 2 sont venus de matière en étant reliés par un pont 12. Les signaux entre la centrale inertielle 4 et le reste de la carte électronique 2 transitent via ce pont 12. La centrale inertielle 4 est montée sur l’îlot de support 10, ce qui permet de limiter la transmission à la centrale inertielle 4 des déformations mécaniques que subit la carte électronique 2. En outre, une telle configuration permet de limiter les échanges thermiques entre la centrale inertielle 4 et le reste du dispositif 1 (et donc les perturbations de la centrale inertielle 4 pouvant en résulter), et inversement. Par exemple, la présence d’un circuit d’alimentation électrique sur la carte électronique 2 serait susceptible de venir perturber la centrale inertielle 4, ce qu’évite cette configuration avec îlot de support 10. Par ailleurs, dans l’exemple de réalisation préférentiel selon lequel le dispositif électronique 1 comprend une sonde de température et au moins un composant de régulation thermique, une telle configuration fait que, dans la régulation thermique de la centrale inertielle 4, beaucoup moins d’énergie est perdue par conduction avec le reste du dispositif 1 et qu’on obtient une variation plus uniforme de la température sur l’îlot 10. De plus, la régulation thermique agit alors beaucoup plus rapidement que s’il n’y avait pas d’îlot de support 10, car elle agit sur une masse thermique très réduite par rapport à une carte électronique 2 monolithique.
La centrale inertielle 4 comprend au moins un capteur gyrométrique et/ou au moins un capteur accélérométrique, ces derniers n’étant pas représentés sur les figures pour des raisons de clarté. De préférence, la centrale inertielle 4 est constituée d’un microsystème électromécanique MEMS (de l’anglais MicroElectroMechanical System). Un tel microsystème électromécanique MEMS comprend un ou plusieurs composants électromécaniques, dont certains sont par exemple les capteurs gyrométrique et/ou accélérométrique dans le présent exemple.
Le matériau polymère 6 est disposé sur la carte électronique 2 de sorte à former une enveloppe qui recouvre au moins la centrale inertielle 4. Dans le mode de réalisation préférentiel illustré sur les figures 1 à 4, le matériau polymère 6 est disposé sur l’îlot de support 10 et forme une enveloppe qui recouvre la centrale inertielle 4 ainsi que le composant de régulation thermique (non représenté). La présence du matériau polymère 6 permet de limiter les pertes par convexion de la centrale inertielle 4, et permet ainsi d’obtenir une uniformisation de la température au sein et autour de cette dernière et entre la centrale inertielle 4 et la carte électronique 2. Le matériau polymère 6 permet également d’améliorer la conduction thermique entre la centrale inertielle 4 et la partie de la carte électronique 2 située sous la centrale inertielle 4, participant là encore à l’uniformisation de la température.
En variante non représentée, le matériau polymère 6 peut former une enveloppe fermée s’étendant de part et d’autre de la carte électronique 2 et encapsulant la centrale inertielle 4 ainsi que l’îlot de support 10. Ceci permet d’améliorer encore l’uniformisation de la température au sein et autour de la centrale inertielle 4.
Le matériau polymère 6 est par exemple un époxy. En variante, le matériau polymère 6 peut aussi être un silicone, ou bien un polyuréthane, ou encore un fluide de Bingham. De préférence, le matériau polymère 6 présente une conduction thermique comprise entre 0,2 W/m.K et 3 W/m.K. De préférence encore, le matériau polymère 6 présente un coefficient de dilatation thermique compris entre 10 ppm/K et 100 ppm/K. En ce qui concerne le procédé de fabrication du dispositif électronique 1, le matériau polymère 6 est déposé sur la centrale inertielle 4 après assemblage de cette dernière sur la carte électronique 2.
Le composant de régulation thermique est monté sur la carte électronique 2, à proximité de la centrale inertielle 4, et est relié à la sonde de température via une boucle d’asservissement. Le composant de régulation thermique est par exemple une résistance chauffante. La sonde de température est configurée pour mesurer la température de la centrale inertielle 4, et pour fournir une valeur de température mesurée à un organe de régulation de température présent dans la boucle d’asservissement.
Dans l’exemple de réalisation illustratif représenté sur les figures 1 à 4, l’enveloppe formée par le matériau polymère 6 présente une forme sensiblement hémisphérique. L’invention n’est toutefois nullement limitée à ce type de forme particulière pour le matériau polymère 6, et en pratique l’enveloppe formée par ce matériau polymère 6 peut présenter tout type de forme.

Claims (10)

  1. Dispositif électronique (1) comportant une carte électronique (2) et une centrale inertielle (4) montée sur la carte électronique (2), la centrale inertielle (4) comprenant au moins un capteur gyrométrique et/ou au moins un capteur accélérométrique, caractérisé en ce qu’il comporte en outre un matériau polymère (6), ledit matériau polymère (6) étant disposé sur la carte électronique (2) de sorte à former une enveloppe qui recouvre au moins la centrale inertielle (4).
  2. Dispositif électronique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’un découpage (8) est pratiqué dans la carte électronique (2), autour de la centrale inertielle (4), de sorte à former un îlot de support (10) par dégagement de matière au niveau de la carte électronique (2), la centrale inertielle (4) étant montée sur l’îlot de support (10), l’îlot de support (10) et le reste de la carte électronique (2) étant venus de matière en étant reliés par un pont (12).
  3. Dispositif électronique (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau polymère (6) forme une enveloppe fermée s’étendant de part et d’autre de la carte électronique (2) et encapsulant la centrale inertielle (4) ainsi que l’îlot de support (10).
  4. Dispositif électronique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte en outre une sonde de température configurée pour mesurer la température de la centrale inertielle (4), et au moins un composant de régulation thermique monté sur la carte électronique (2) à proximité de la centrale inertielle (4), ledit au moins un composant de régulation thermique étant relié à la sonde de température via une boucle d’asservissement.
  5. Dispositif électronique (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau polymère (6) recouvre en outre ledit au moins un composant de régulation thermique.
  6. Dispositif électronique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau polymère (6) est choisi parmi le groupe consistant en: un époxy, un silicone, un polyuréthane et un fluide de Bingham.
  7. Dispositif électronique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau polymère (6) présente une conduction thermique comprise entre 0,2 W/m.K et 3 W/m.K.
  8. Dispositif électronique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau polymère (6) présente un coefficient de dilatation thermique compris entre 10 ppm/K et 100 ppm/K.
  9. Dispositif électronique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la centrale inertielle (4) est constituée d’un microsystème électromécanique MEMS comprenant un ou plusieurs composants électromécaniques.
  10. Dispositif électronique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif électronique (1) est un capteur de mouvement.
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