WO2007068649A1 - Gyrometre vibrant equilibre par un dispositif electrostatique - Google Patents

Gyrometre vibrant equilibre par un dispositif electrostatique Download PDF

Info

Publication number
WO2007068649A1
WO2007068649A1 PCT/EP2006/069437 EP2006069437W WO2007068649A1 WO 2007068649 A1 WO2007068649 A1 WO 2007068649A1 EP 2006069437 W EP2006069437 W EP 2006069437W WO 2007068649 A1 WO2007068649 A1 WO 2007068649A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
axis
comb
mass
detection
mobile
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/069437
Other languages
English (en)
Inventor
Bernard Chaumet
Original Assignee
Thales
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales filed Critical Thales
Priority to DE602006014592T priority Critical patent/DE602006014592D1/de
Priority to EP06819924A priority patent/EP1960736B1/fr
Priority to US12/096,938 priority patent/US8104364B2/en
Publication of WO2007068649A1 publication Critical patent/WO2007068649A1/fr

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G01C19/5755—Structural details or topology the devices having a single sensing mass
    • G01C19/5762—Structural details or topology the devices having a single sensing mass the sensing mass being connected to a driving mass, e.g. driving frames
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G01C19/574—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion
    • G01C19/5747—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion each sensing mass being connected to a driving mass, e.g. driving frames
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/12—Gyroscopes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/12—Gyroscopes
    • Y10T74/1229—Gyroscope control
    • Y10T74/1232—Erecting
    • Y10T74/125—Erecting by magnetic field
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/12—Gyroscopes
    • Y10T74/1229—Gyroscope control
    • Y10T74/1232—Erecting
    • Y10T74/1254—Erecting by motor torque
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/12—Gyroscopes
    • Y10T74/1282—Gyroscopes with rotor drive

Definitions

  • This type of comb therefore makes it possible to essentially create a coupling stiffness k xyq .
  • the application of the DC voltage on the quadrature compensation combs not only creates a coupling stiffness k xyq but also a direct electrostatic stiffness k yq which has the effect of decreasing the frequency of the y mode. This decrease in frequency can be troublesome if it makes the frequency deviation Fy-Fx negative because then it then becomes impossible to cancel this frequency difference by the adjustment comb of the frequency Fy.
  • These arms are designated by the references 52, 54, 56, 58. They preferably have a folded U shape.
  • the two folded branches of the U are elongated parallel to Oy and are interconnected by a short connecting element.
  • the arms 52 to 58 could, however, not be folded over and extend in the direction Oy completely between the frame and the mass. Folding saves space without significantly altering the desired mechanical characteristics. If the arms are folded as in FIG. 3, it is preferable to connect the short connecting element (which connects the two branches of the U) from a first arm 52 to the corresponding short element of the arm 54 which is symmetrical arm 52 relative to the axis 38.
  • the gap is then dissymmetrical at rest, the fingers of a half-comb not being exactly in the middle of the interval between two fingers of the other half-comb, while a working comb (like the comb of 'excitement) on the basis of variations in overlapping surfaces at the fingers of a half-comb in the middle of the gap between the fingers of the other half-comb.
  • the comb 90 comprises a fixed half-comb 92 attached to an anchoring zone and a moving half-comb 96 forming part of the detection mass itself.
  • the detection mass comprises a cut-out to make room for the fixed comb 92 and its anchoring zone, and the edges of this cut are cut in the form of fingers to form the mobile half-comb 96 in which are interposed the fingers of the fixed half-comb.
  • the comb 90 is double, that is to say that the fixed half-comb 92 located on the axis 38 has fingers on either side of the axis of symmetry 38 and the two sides of the cutout of the mass 30 are provided with fingers to form two movable half-combs 96a and 96b located on either side of the axis 38.
  • This quadrature bias compensation comb makes it possible to modify the orthogonality between the detection and excitation movement by modifying the coupling stiffness between the detection and excitation axis, without this deform the stiffness elements of excitation or detection movements.
  • another comb 10b as described in connection with FIG. 2b is provided to create a stiffness term of sign opposite to that created by the comb 10a.
  • These two compensation combs 10a and 10b are arranged symmetrically with respect to the axis 32 and the air gaps e and ⁇ e of the first comb are symmetrical with the air gaps of this second comb with respect to this axis 32.
  • quadrature bias compensation combs 10c and 10d disposed on the other side parallel to Oy. They are then symmetrical with the combs 10a and 10b with respect to the axis 38 or they may also be symmetrical with the combs 10a and 10b.
  • a comb 20 for adjusting the frequency Fy as described with reference to FIG. 2c is added to this gyrometer of FIGS. 3a or 3b. It is associated with the mass 30 able to vibrate according to y. It is disposed at the center of the mass 30 along the axis 38, in the extension of the detection comb 90. It comprises a fixed half-comb 25 attached to an anchoring zone and a moving half-comb 26 forming part of the detection mass itself.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

L'invention concerne un gyromètre à structure vibrante réalisé par micro-usinage dans une plaque mince, qui comporte un ensemble inertiel mobile (1 ) comprenant au moins une masse mobile (50) apte à vibrer dans le plan de la plaque selon un axe x d'excitation et selon un axe y de détection sensiblement perpendiculaire à l'axe x, un peigne de détection (90) et un peigne d'excitation (70) interdigités. Il comprend en outre au moins un peigne interdigité (10a) supplémentaire dit peigne de compensation du biais en quadrature, associé à la masse (50) et qui présente deux entrefers dissymétriques e et λe, λ étant un nombre réel positif, pour soumettre celle-ci, par l'application d'une tension V continue réglable sur ce peigne, à une raideur électrostatique de couplage entre l'axe x et l'axe y ajustable permettant de compenser le biais en quadrature du gyromètre.

Description

GYROMETRE VIBRANT EQUILIBRE PAR UN DISPOSITIF ELECTROSTATIQUE
Le domaine de l'invention est celui des gyromètres vibrants.
On rappelle le principe de fonctionnement d'un gyromètre vibrant en relation avec la figure 1 a.
Une masse M est suspendue sur un cadre rigide C par l'intermédiaire de deux ressorts de raideur Kx et Ky. Elle possède donc deux degrés de liberté suivant les directions x et y perpendiculaires entre elles et situées dans le plan de la figure.
Le système peut être considéré comme un ensemble de deux résonateurs de fréquence propre Fx selon x et Fy selon y.
La masse M est excitée selon l'axe x à une fréquence f et avec une amplitude X0 constante. Cette fréquence est généralement choisie égale à la fréquence propre du mode de vibration selon x. L'accélération de la masse M selon x, dite accélération d'excitation est alors de la forme :
Texcx = -CO 2X0 sin(ûtf) avec ω = liτf
En présence d'une vitesse de rotation Ω autour du troisième axe z, les forces de Coholis provoquent un couplage entre les deux résonateurs engendrant une vibration de la masse selon l'axe y souvent appelé axe de détection. Une accélération dite accélération de Coriolis apparaît selon l'axe y :
Y corx = 2Ωωx0 cos(ωt)
La mesure de la vitesse de rotation Ω est alors faite au travers de la mesure du mouvement selon y provoqué par l'accélération de Coriolis ; en effet, l'amplitude du mouvement selon y est proportionnelle à la vitesse de rotation Ω.
Mais du fait des imperfections géométriques de la masse, les axes x et y présentent un défaut d'orthogonalité comme illustré figure 1 b. Du fait de ce défaut d'orthogonalité α, l'accélération selon l'axe de détection y comporte non seulement l'accélération de Coriolis mais aussi une composante provenant de la projection sur y de l'accélération d'excitation : F1 = 2ΩωxQ cos(ωt)cosa - ω2 x0 sm(ωt)sin a
En supposant que α est très petit devant 1 , on obtient
Figure imgf000004_0001
Ainsi on constate qu'au terme Ω cos(ύ)t) représentant l'information ω . , \ utile à mesurer, se superpose un terme parasite a—sm{ωt) . Ce terme
parasite, en quadrature de phase avec le terme utile, est généralement appelé biais en quadrature.
Le signal parasite étant en quadrature de phase avec le signal utile, il peut être éliminé par démodulation. Cependant la démodulation qui n'est pas parfaite comporte une erreur de phase ΔΦ qui induit un biais sur la mesure de vitesse :
Ωmes ≈ Ω - a^Aψ 2
Pour obtenir une stabilité de 107h sur la mesure de vitesse, le terme a — Aφ doit présenter une stabilité de 107h.
Pour une stabilité de la phase de 100μrad (soit 0.0057°), avec une fréquence ω = 2π • 1 OOOOrad I s , le défaut d'orthogonalité α doit alors être inférieur à 15μrad pour que l'on puisse obtenir une stabilité de 107h.
Les défauts géométriques de l'élément sensible conduisent généralement à des défauts d'orthogonalité de quelques centaines de microradians.
Pour obtenir la précision recherchée sur la mesure de vitesse, il faut donc réduire le défaut d'orthogonalité, ce qui revient à compenser le biais en quadrature. Cette opération est souvent appelée équilibrage.
A performance de stabilité égale sur la mesure de vitesse, la réduction du biais en quadrature permet aussi de relâcher la précision de phase ΔΦ nécessaire. L'opération d'équilibrage a donc deux objectifs : améliorer la précision sur la mesure de vitesse ou/et relâcher la précision de phase de l'électronique. Une première méthode pour réaliser l'équilibrage ou l'orthogonalisation des axes d'excitation et de détection est d'enlever localement de la matière (ablation au laser par exemple) de manière à modifier la répartition de masse ou de raideur associées à la masse M. Cette méthode est généralement coûteuse à mettre en œuvre et est difficilement applicable sur un gyromètre vibrant micro-usiné planaire dont les mouvements de détection et d'excitation sont situés dans le plan du substrat.
Une autre méthode consiste à déformer la masse mobile et éventuellement les éléments de raideur du mouvement de détection ou d'excitation de manière à ce que les mouvements d'excitation et de détection deviennent orthogonaux. Cette déformation statique peut alors être réalisée en appliquant des forces électrostatiques sur la masse ou sur ses éléments mobiles. Cette méthode est par exemple décrite dans le brevet WO2004042324.
Une dernière méthode consiste à utiliser un champ électrostatique, non pas pour déformer les éléments de raideur comme dans la méthode précédente, mais pour modifier la répartition de raideur du système à l'aide d'une raideur électrostatique. Ce type de méthode est couramment employé sur certains types de gyromètre vibrant comme les gyromètres à anneau ou à bol vibrant, mais n'a jusqu'ici jamais été mise en œuvre sur des gyromètres vibrants micro-usinés planaires, à simple ou double diapason, dont les mouvements de détection et d'excitation sont linéaires et situés dans le plan du substrat. Le but de l'invention est de permettre de compenser le biais en quadrature d'un gyromètre vibrant micro-usiné planaire dont les mouvements de détection et d'excitation sont linéaires et situés dans le plan du substrat.
Plus précisément l'invention a pour objet un gyromètre à structure vibrante réalisé par micro-usinage dans une plaque mince, qui comporte un ensemble inertiel mobile comprenant au moins une masse mobile apte à vibrer dans le plan de la plaque selon un axe x d'excitation et selon un axe y de détection sensiblement perpendiculaire à l'axe x, un peigne de détection interdigité et un peigne d'excitation interdigité. Il est principalement caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un peigne interdigité supplémentaire dit peigne de compensation du biais en quadrature, associé à la masse, et qui présente deux entrefers dissymétriques e et λe, λ étant un nombre réel positif, pour soumettre la masse, par l'application d'une tension V continue réglable sur ce peigne, à une raideur électrostatique de couplage entre l'axe x et l'axe y ; cette raideur ajustable permet de compenser le biais en quadrature.
Ce peigne de compensation du biais en quadrature permet de modifier la répartition de raideur du gyromètre sans déformer les éléments de raideur des mouvements d'excitation ou de détection. Selon une caractéristique de l'invention, le ou les peignes de compensation du biais en quadrature sont disposés selon l'axe y de détection.
De préférence, l'ensemble inertiel mobile présentant un axe de symétrie parallèle à l'axe x, il comprend un deuxième peigne de compensation du biais en quadrature, les deux peignes de compensation étant disposés symétriquement par rapport à l'axe de symétrie et le deuxième peigne présente selon y deux entrefers symétriques des entrefers du premier peigne par rapport à cet axe de symétrie.
L'ensemble inertiel mobile présentant un axe de symétrie parallèle à l'axe y, il comprend éventuellement un troisième et un quatrième peignes de compensation du biais en quadrature, ces deux peignes de compensation étant respectivement symétriques des premier et deuxième peignes par rapport à l'axe de symétrie selon y ou par rapport à l'intersection de l'axe de symétrie parallèle à x et de l'axe de symétrie parallèle à y . Selon une autre caractéristique de l'invention, l'ensemble inertiel mobile comprend une deuxième masse apte à vibrer selon l'axe y de détection, et éventuellement une troisième masse apte à vibrer en opposition de phase avec la deuxième masse selon l'axe y de détection.
L'ensemble inertiel mobile comprend avantageusement en outre au moins un peigne interdigité d'ajustement de la fréquence de détection, qui présente deux entrefers e identiques et qui est associé à une masse apte à vibrer selon l'axe y de détection.
Selon une caractéristique de l'invention, le peigne d'ajustement de la fréquence de détection est disposé selon l'axe y. Avantageusement, l'ensemble mobile étant désigné premier ensemble mobile, il comprend un deuxième ensemble mobile qui comprend les mêmes éléments que le premier ensemble mobile, et une structure de couplage qui relie ces deux ensembles entre eux et permet un transfert d'énergie mécanique de vibration entre eux.
Le gyromètre est par exemple un gyromètre à simple ou double diapason.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : les figures 1 a et 1 b déjà décrites représentent schématiquement un gyromètre parfait et un gyromètre présentant un défaut d'orthogonalité, les figures 2a, 2b et 2c représentent schématiquement des exemples de peignes de compensation du biais en quadrature et d'ajustement de fréquences, et les axes de vibration entre peigne fixe et peigne mobile, les figures 3a et 3b représentent schématiquement des exemples de gyromètre selon l'invention, à deux masses, la figure 4 représente schématiquement un exemple de gyromètre selon l'invention, à quatre masses, dit gyromètre à simple diapason, la figure 5 représente schématiquement un exemple de gyromètre selon l'invention, à six masses, dit gyromètre à double diapason.
D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références.
Un gyromètre vibrant sans défaut peut être représenté comme un système dynamique comportant deux modes de vibrations orthogonaux de fréquences identiques, et parfaitement découplés. Ce système parfait est représenté figure 1 a. La matrice de raideur dynamique Kdyn de ce système est une matrice de dimension 2x2 qui présente la propriété d'être diagonale.
Cette matrice est alors de la forme suivante :
Figure imgf000007_0001
Mx et Kx représentent les masse et raideur effectives du mode de résonance selon x.
My et Ky représentent les masse et raideur effectives du mode de résonance selon y.
K 0 est la matrice de masse,
0 M
Kx 0 est la matrice de raideur mécanique.
0 K
Le défaut d'orthogonalité α a pour effet de modifier les matrices de masse et de raideur de la manière suivante.
Figure imgf000008_0001
On constate l'apparition de termes croisés proportionnels au défauts d'orthogonalité α, à l'origine du biais en quadrature.
Le principe d'équilibrage est de modifier la matrice de raideur dynamique de manière à la rendre diagonale.
Ainsi dans le cas d'un équilibrage « électrique », à l'aide d'un dispositif électrostatique, on modifie la matrice de raideur dynamique en superposant une matrice de raideur électrostatique :
Figure imgf000008_0002
K K étant la matrice de raideur électrostatique, k k
et ky étant des termes de raideur directe électrostatique, k xy étant un terme de raideur transverse ou de couplage électrostatique.
Le but de l'équilibrage électro-statique qui est donc de diagonaliser la matrice de raideur dynamique pour annuler le biais en quadrature, est obtenu lorsque kxi = KxCt .
Une fois que la diagonalisation de la matrice est réalisée, on peut aussi égaliser la fréquence de résonance des deux modes, ce qui est obtenu lorsque :
- ^2Mx + Kx + kx = 0 = -ω2My + Kv + Kxor + ky soit :
K + k. Kx + K a2 + k^
M M
L'annulation de l'écart de fréquence de résonance entre les deux modes n'est rigoureusement possible que lorsque la matrice de raideur est diagonale et donc que lorsque l'on a annulé le biais en quadrature. Les termes de raideur directe électrostatique kx et ky sont par nature négatifs. Le terme kx a donc pour effet de diminuer la fréquence du mode x et le terme ky a donc pour effet de diminuer la fréquence du mode y.
Pour égaliser les fréquences, on agit sur la raideur ky si la fréquence du mode y est supérieure à celle du mode x et sur la raideur kx si la fréquence du mode x est supérieure à celle du mode y.
On va à présent présenter un moyen pour obtenir ces termes de raideur sur un gyromètre vibrant micro-usiné planaire dont les mouvements de détection et d'excitation sont linéaires et situés dans le plan du substrat. On rappelle au préalable la structure d'un tel gyromètre qui comprend une ou plusieurs masses mobiles.
Une plaque mince plane de silicium est usinée pour faire un gyromètre dont l'axe sensible est perpendiculaire au plan de la plaque désigné plan xy et dont les mouvements d'excitation et de détection sont situés dans le plan de la plaque. Le silicium est choisi comme matériau préférentiel, d'une part pour ses propriétés mécaniques et d'autre part pour sa conductivité élevée lorsqu'il est suffisamment dopé par une impureté appropriée (du bore en général pour du silicium de type P). L'épaisseur de la plaque de silicium d'origine est par exemple de quelques centaines de micromètres ; la plaque comporte d'une part des zones d'ancrage fixes formées dans cette épaisseur et d'autre part la structure vibrante proprement dite, libre par rapport aux zones d'ancrage et formée sur une épaisseur plus faible, par exemple sur une épaisseur de quelques dizaines de micromètres, isolée du reste de l'épaisseur de la plaque par un intervalle étroit. Sur cette épaisseur de quelques dizaines de micromètres, la plaque de silicium est découpée par micro-usinage selon les motifs des masses mobiles et peignes interdigités désirés. L'usinage de la structure peut être réalisé en utilisant comme substrat d'origine un substrat de silicium sur isolant, mais d'autres méthodes sont également possibles. Un substrat en silicium sur isolant est constitué d'un substrat de silicium de quelques centaines de micromètres d'épaisseur qui porte sur sa face avant une fine couche d'oxyde de silicium elle-même recouverte d'une couche de silicium monocristallin de quelques dizaines de micromètres d'épaisseur. L'usinage consiste à attaquer le silicium du substrat par sa face avant, selon les motifs de surface désirés, au moyen de techniques de photogravure en usage en microélectronique, jusqu'à atteindre la couche d'oxyde, avec un produit de gravure sélectif qui attaque le silicium sans attaquer significativement l'oxyde. On arrête la gravure lorsque la couche d'oxyde est mise à nu. Cette couche d'oxyde est ensuite enlevée par attaque sélective avec un autre produit de manière à ne conserver que la couche superficielle de silicium monocristallin, sauf à l'endroit des zones d'ancrage où la couche d'oxyde subsiste et forme une liaison solidaire entre le substrat et la couche superficielle de silicium monocristallin. L'usinage par la face avant définit les différents découpages des parties mobiles. Ce sont donc ces motifs de surface, zones d'ancrage et découpages des parties mobiles, que l'on voit sur les figures 3 à 5.
Le silicium conducteur permet de réaliser les fonctions électriques du gyromètre et notamment les fonctions d'excitation et les fonctions de détection ; ces fonctions sont réalisées de préférence par des peignes d'excitation et de détection. Ce sont des peignes capacitifs à électrodes interdigitées alimentées en courant ou en tension électrique. Un peigne comprend un demi-peigne fixe et un demi-peigne mobile. La partie fixe d'un peigne est fixée à une zone d'ancrage formant également accès électrique pour la transmission de signaux électriques à cette partie fixe ou depuis cette partie fixe ; la partie mobile du peigne est fixée à un élément mobile de la structure d'excitation ou de la structure de détection ; la ou les zone(s) d'ancrage de la masse mobile forment un accès électrique à la partie mobile du peigne, à travers l'ensemble de la structure vibrante.
Les dents ou doigts du demi-peigne fixe, en silicium conducteur usiné en même temps que les autres éléments du gyromètre, constituent la première armature d'une capacité et les dents ou doigts du demi-peigne mobile, également en silicium conducteur, constituent la deuxième armature de cette capacité.
Le gyromètre selon l'invention comprend en plus des peignes d'excitation et de détection, un peigne 10a de compensation du biais en quadrature représenté figure 2a. En effet, le terme de raideur kxy , qui permet de compenser le biais en quadrature, est obtenu au moyen d'un ensemble de demi-peignes interdigités dont l'un 15a est mobile, l'autre 16a fixe. L'interdigitation des peignes aussi désignée entrefer est dissymétrique au repos, les doigts d'un demi-peigne n'étant pas exactement au milieu de l'intervalle entre deux doigts de l'autre demi-peigne ; on a au repos des entrefers dissymétriques e et λe, λ étant un réel positif. Le demi-peigne mobile 15a est solidaire de la masse apte à vibrer selon x et selon y. C'est donc la masse qui assure le couplage de Coriolis. Les flèches indiquent le mouvement possible selon x ou selon y entre peigne fixe 16a et peigne mobile 15a.
Les termes de raideur électrostatique créés par un tel peigne sont les suivants : kxq=0
Figure imgf000011_0001
l'indice q signifiant que le terme de raideur est provoqué par le peigne de compensation de la quadrature, n étant le nombre de dents par demi-peigne, h l'épaisseur du peigne qui est aussi celle de la plaque de silicium,
I la longueur de recouvrement,
V la tension continue entre chaque peigne, ε la permittivité du vide.
Selon une variante, le demi-peigne fixe comprend n dents et le demi- peigne mobile n-1 dents.
Ce type de peigne permet donc de créer essentiellement une raideur de couplage kxyq. Cette raideur de couplage qui est positive, est ajustée en fonction de V de manière à obtenir k = Kxa , c'est-à-dire pour compenser le biais en quadrature égal à a— .
Comme le biais à compenser peut avoir un signe quelconque, on prévoit un autre peigne, symétrique du précédent par rapport à un axe de symétrie du gyromètre selon x, pour créer un terme de raideur négatif. Un exemple de ce peigne 10b symétrique du précédent est représenté figure 2b. Il comprend un demi-peigne mobile 15b, et un demi-peigne fixe 16b. Au repos, les entrefers e et λe sont dissymétriques.
Par exemple pour une fréquence d'excitation ω = 2π - 8000rad/s , une masse Mx = My = I μgramme et un défaut d'orthogonalité maximum « de
200/yrad, le biais en quadrature à compenser, exprimé en 7s est alors au maximum de 2887s.
Pour compenser ce biais en quadrature il faut créer une raideur électrostatique de couplage kxyq = Kκa = MxCux 2OC = 0.5N I m . Avec un peigne électrostatique de compensation dont les caractéristiques sont n=100 dents, e= 3μm, h=100μm, λ=3, il suffit alors d'appliquer une tension continue V=10.6 Volts pour créer une raideur électrostatique de couplage de 0.5N/m et donc pour compenser le défaut d'orthogonalité de 200//rad. L'application de la tension continue sur les peignes de compensation de la quadrature crée non seulement une raideur de couplage kxyq mais également une raideur électrostatique directe kyq qui a pour effet de diminuer la fréquence du mode y. Cette diminution de fréquence peut être gênante si elle rend l'écart de fréquence Fy-Fx négatif car alors il devient ensuite impossible d'annuler cet écart de fréquence par le peigne d'ajustement de la fréquence Fy.
Mais on peut choisir la longueur de recouvrement du peigne d'ajustement de la quadrature de telle sorte que le terme de raideur directe kyq soit suffisamment faible pour que l'écart de fréquence Fy-Fx entre le mode de détection et le mode d'excitation reste toujours positif lorsque l'on applique la tension V destinée à compenser le biais en quadrature.
On reprend l'exemple précédent, avec un écart de fréquence nominal de 200 Hz entre les deux modes et des dispersions de fabrication provoquant un écart maximum de ±100Hz d'un gyromètre à l'autre. Le choix d'une longueur de recouvrement l=50μm conduit à une raideur directe kyq=- 20 N/m pour une raideur de couplage kχyq=0.5N/m. La diminution de fréquence induite par cette raideur est alors au maximum de 30 Hz . L'écart de fréquence Fy-Fx entre mode de détection et d'excitation reste donc toujours positif puisqu'il est égal au minimum à 200-100-30=20Hz et au maximum à 200+100-30=320Hz.
Une fois le biais en quadrature compensé, l'ajustement final de l'écart de fréquence est réalisé par un peigne supplémentaire désigné peigne d'ajustement de la fréquence 20, dont un exemple est représenté figure 2c. L'ajustement de l'écart de fréquence Fy-Fx, qui est toujours positif avant ajustement est réalisé par une diminution de la fréquence Fy. Cette diminution est provoquée par l'introduction d'une raideur électrostatique kyf par nature toujours négative. L'indice f signifie que les termes de raideur sont provoqués par le peigne d'ajustement de la fréquence. On a ky = kyq + kyf. Le terme de raideur kyf est obtenu par un ensemble de demi-peignes interdigités, dont l'un 25 est mobile, l'autre 26 fixe. Au repos, les entrefers e' sont symétriques : les doigts d'un demi-peigne sont au milieu de l'intervalle entre les doigts de l'autre demi-peigne. Le demi-peigne mobile est solidaire de la masse apte à vibrer selon y. La flèche indique le mouvement possible selon y entre peigne fixe 26 et peigne mobile 25.
Les termes de raideur électrostatique créés par ce peigne d'ajustement final de l'écart de fréquence, sont les suivants : k v. = 0 K >/1 = ^2nε - V2 ~ il K y/r = O
Ainsi ce type de peigne permet de diminuer la raideur selon y en fonction de la tension V sans modifier la raideur kx et sans introduire de raideur de couplage kxy.
Dans le cas d'un gyromètre avec une seule masse, cette masse étant apte à vibrer selon x et y, comme l'exemple de gyromètre de la figure 1 b, le peigne de compensation du biais en quadrature et celui d'ajustement de la fréquence sont donc associés à la même masse.
En réalité, la structure vibrante d'un gyromètre vibrant micro-usiné planaire dont les mouvements de détection et d'excitation sont linéaires et situés dans le plan du substrat, comporte généralement deux, quatre, six ou huit masses.
Parmi l'ensemble de ces masses, certaines sont aptes à vibrer selon x et y, et d'autres selon x uniquement ou selon y uniquement.
Les masses aptes à vibrer à la fois selon les deux axes x et y assurent le couplage de Coriolis entre l'axe d'excitation et l'axe de détection. C'est sur ces masses qu'est fixée la partie mobile des peignes permettant la compensation du biais en quadrature par le contrôle de la raideur de couplage kxy.
La partie mobile des peignes assurant l'ajustement de la fréquence Fy du mode de détection par le contrôle de la raideur ky doit être solidaire des masses aptes à vibrer selon y, qui peuvent être éventuellement les mêmes que celles aptes à vibrer selon x et y.
On va à présent décrire un exemple de gyromètre selon l'invention à deux masses mobiles.
Les figures 3 donnent une disposition parmi d'autres des différents peignes sur un tel gyromètre.
L'ensemble mobile inertie! 1 de ce gyromètre comporte comme première masse mobile, un cadre inertiel et comme seconde masse mobile, une masse inertielle mobile centrale.
La masse inertielle mobile aussi désignée masse de détection 30 ne peut se déplacer que selon une direction de détection, par exemple Oy (axe vertical dans le plan de la figure) ; le cadre inertiel 50 peut se déplacer selon l'axe Ox et selon l'axe Oy. L'axe sensible du gyromètre est un axe Oz perpendiculaire au plan de la plaque. On excite une vibration du cadre inertiel 50 dans la direction Ox ; lorsque le gyromètre tourne autour de son axe sensible Oz, une vibration du cadre est engendrée selon l'axe Oy. Cette vibration selon Oy est transmise à la masse 30, alors que la vibration selon Ox n'est pas transmise. Comme on le verra, une structure d'excitation de la vibration est associée au cadre 50, et une structure de détection de vibration est associée à la masse inertielle de détection 30. Comme on le voit sur ces figures 3, la masse de détection 30 est reliée à des zones d'ancrage fixes par au moins deux bras de flexion conçus pour autoriser un déplacement de la masse selon Oy mais pour empêcher tout mouvement significatif de la masse dans la direction Ox. Ces bras sont de préférence situés de part et d'autre d'un axe de symétrie 32 de la masse, parallèle à Ox. Il y a alors deux zones d'ancrage 34 et 36 situées de part et d'autre de la masse de détection, symétriques par rapport à cet axe de symétrie 32. De plus, ces zones sont de préférence situées sur un autre axe de symétrie 38 de la masse, axe qui est parallèle à Oy. Les bras de flexion qui relient la masse 30 aux zones 34 et 36 sont des bras allongés dans la direction Ox1 de manière à présenter une grande raideur (grande résistance à l'allongement) dans cette direction. Il y a de préférence quatre bras de flexion plutôt que deux, la masse étant reliée à la zone d'ancrage 34 par deux bras 31 et 33 de part et d'autre de la zone 34 ; la masse est reliée par ailleurs à la deuxième zone d'ancrage 36 par deux bras 35 et 37 de part et d'autre de la zone 36.
Le cadre mobile 50 entoure de préférence complètement la masse 30. La masse 30 est reliée au cadre 50 par au moins deux bras de flexion qui ont pour particularité de présenter une très grande raideur (très grande résistance à l'allongement) dans la direction Oy et une faible raideur dans la direction Ox. Ces bras sont allongés dans la direction Oy et ont une largeur faible devant leur longueur, afin de présenter cette différence de raideurs.
Il y a de préférence quatre bras de flexion de ce type entre la masse 30 et le cadre 50, les bras étant situés en pratique chacun à un coin de la masse de détection si elle est de forme généralement rectangulaire. Ils sont disposés symétriquement d'une part par rapport à l'axe de symétrie 32 de la masse (axe parallèle à Ox) et d'autre part par rapport à l'axe de symétrie 38 (parallèle à Oy).
Ces bras sont désignés par les références 52, 54, 56, 58. Ils ont de préférence une forme repliée en U. Les deux branches repliées du U sont allongées parallèlement à Oy et sont reliées entre elles par un court élément de liaison. Les bras 52 à 58 pourraient cependant ne pas être repliés et s'étendre en totalité selon la direction Oy entre le cadre et la masse. Le repliement permet de gagner de la place sans modifier significativement les caractéristiques mécaniques désirées. Si les bras sont repliés comme sur les figures 3, il est préférable de relier par ailleurs l'élément court de liaison (qui relie les deux branches du U) d'un premier bras 52 à l'élément court correspondant du bras 54 qui est symétrique du bras 52 par rapport à l'axe 38. Une traverse 60 est prévue à cet effet, parallèle à Ox1 pour relier le fond du U du bras de liaison 52 au fond du U du bras de flexion 54, les bras 52 et 54 étant symétriques par rapport à l'axe 38. Une traverse similaire 62, symétrique de la traverse 60 par rapport à l'axe 32, relie les éléments symétriques 56 et 58. Ces traverses 60 et 62, parallèles à Ox, renforcent la symétrie de transmission d'un mouvement selon Oy imposé par le cadre mobile 50 à la masse 30. Elles ne sont pas présentes si les bras 52, 54, 56, 58 n'ont pas une forme repliée car dans ce cas les extrémités des bras 52 et 54 seraient déjà reliées rigidement par le cadre 50 lui-même.
Comme on le voit sur les figures 3, la forme repliée en U allongé des bras de flexion entre le cadre mobile 50 et la masse de détection 30 est obtenue par des découpes dans le cadre mobile et dans la masse de détection, mais de manière générale, les bras de flexion partent à peu près d'un coin intérieur du cadre vers un coin en vis-à-vis de la masse même si le point de fixation effectif du bras sur le cadre ou sur la masse ne part pas exactement de ce coin. On peut considérer que la masse est suspendue globalement par ses quatre coins au cadre mobile.
Le cadre 50 est excité en vibration selon Ox par une première structure en peigne interdigité 70 à entrefers symétriques, qui comporte un demi-peigne fixe 72, attaché à une zone d'ancrage et un demi-peigne mobile 76 constitué le long d'un premier côté (parallèle à Oy) du cadre 50. Classiquement, la structure en peigne agit comme excitateur du mouvement de la partie mobile grâce aux forces d'attraction qui s'exercent entre les doigts en regard lorsqu'une tension est appliquée entre les demi-peignes. La tension d'excitation est alternative pour engendrer un mouvement de vibration, et la fréquence de cette tension est choisie très proche de ou égale à la fréquence de résonance mécanique de la structure. La tension d'excitation est appliquée entre la zone d'ancrage du demi-peigne et l'une et/ou l'autre des zones d'ancrage 34 et 36. Le demi-peigne fixe 72 est en contact électrique direct (par le corps du silicium conducteur) avec sa zone d'ancrage ; le demi-peigne mobile 76 est en contact avec les zones d'ancrage 34 et 36 par l'intermédiaire des bras de flexion 52 à 58, du corps de la masse de détection, des bras de flexion 40 à 46, et du cadre 50, de sorte qu'en appliquant une tension entre la zone d'ancrage du demi-peigne et les zones d'ancrage 34 ou 36 on applique bien une tension entre la partie fixe et la partie mobile du peigne 70.
Le mouvement d'excitation engendré sur le cadre 50 est selon la direction Ox, les peignes agissant par modification de la surface en recouvrement mutuel des doigts intercalés.
Le microgyromètre comporte de préférence une autre structure à peignes interdigités associée au cadre, symétrique de la structure 70 par rapport à l'axe 38. Elle comporte un demi-peigne fixe 82 attaché à une zone d'ancrage, et un demi-peigne mobile 86 usiné le long d'un côté du cadre 50. Cette structure à entrefers symétriques peut servir de détecteur du mouvement du cadre selon Ox. Elle est utile pour l'asservissement du mouvement excité par le peigne 70 ; l'asservissement est en général utile pour ajuster la fréquence d'excitation par rapport à la fréquence de résonance de la structure. Les tensions détectées par la structure 80 apparaissent entre la zone d'ancrage du demi-peigne et les zones d'ancrage 34 et 36. Au moins un peigne interdigité est associé à la masse de détection 30 pour détecter le mouvement de la masse de détection dans la direction Oy. L'orientation de ces peignes dépend du principe sur lequel repose la détection : si la détection repose sur une mesure des variations de surface en recouvrement mutuel des doigts des demi-peignes fixe et mobile, le peigne de détection des mouvements selon Oy est disposé perpendiculairement au peigne d'excitation 70 (qui repose aussi sur des variations de surface en recouvrement). Mais si la détection repose sur une mesure des variations d'espacement entre les doigts du demi-peigne fixe et du demi-peigne mobile, le peigne de détection est disposé parallèlement au peigne d'excitation. La détection par la variation de l'espacement entre doigts est préférée car elle est plus sensible. L'entrefer est alors dissymétrique au repos, les doigts d'un demi-peigne n'étant pas exactement au milieu de l'intervalle entre deux doigts de l'autre demi-peigne, alors qu'un peigne fonctionnant (comme le peigne d'excitation) sur la base de variations de surfaces en recouvrement a les doigts d'un demi-peigne au milieu de l'intervalle entre les doigts de l'autre demi-peigne.
C'est le cas sur les figures 3 : le peigne de détection 90 est disposé avec la même orientation générale que les peignes 70 et 80, bien qu'il soit associé à un mouvement selon Oy alors que les peignes 70 et 80 sont associés à un mouvement (excitation ou détection) selon Ox. Il est disposé au centre de la masse le long de l'axe 38.
Le peigne 90 comporte un demi-peigne fixe 92 attaché à une zone d'ancrage et un demi-peigne mobile 96 faisant partie de la masse de détection elle-même. La masse de détection comporte une découpe pour laisser la place au peigne fixe 92 et à sa zone d'ancrage, et les bords de cette découpe sont découpés en forme de doigts pour constituer le demi- peigne mobile 96 dans lequel viennent s'intercaler les doigts du demi-peigne fixe. Dans l'exemple représenté, le peigne 90 est double, c'est-à-dire que le demi-peigne fixe 92 situé sur l'axe 38 comporte des doigts de part et d'autre de l'axe de symétrie 38 et les deux côtés de la découpe de la masse 30 sont pourvus de doigts pour former deux demi-peignes mobiles 96a et 96b situés de part et d'autre de l'axe 38.
Pour la détection du mouvement selon Oy, un circuit électronique associé à cette structure détecte la modulation en amplitude des tensions électriques présentes entre la zone d'ancrage du demi-peigne et les zones d'ancrage 34 et 36. Cette modulation n'est due qu'à un déplacement de la masse de détection selon l'axe Oy puisque la masse ne peut se déplacer que selon cet axe. Selon l'invention, un peigne 10a de compensation du biais en quadrature tel que décrit en relation avec la figure 2a est ajouté à ce gyromètre. Il est associé au cadre 50 apte à vibrer selon x et selon y : le demi-peigne mobile 16a est solidaire de cette masse 50 et le demi-peigne fixe 15a est attaché à une zone d'ancrage. Il est disposé le long d'un premier côté (parallèle à Oy) du cadre 50 dans le prolongement du peigne 70 d'excitation du mouvement selon x.
Ce peigne de compensation du biais en quadrature permet de modifier l'orthogonalité entre le mouvement de détection et d'excitation en modifiant la raideur de couplage entre l'axe de détection et d'excitation, ceci sans déformer les éléments de raideur des mouvements d'excitation ou de détection.
Comme les défauts à compenser peuvent avoir un signe quelconque, on prévoit un autre peigne 10b tel que décrit en relation avec la figure 2b pour créer un terme de raideur de signe opposé à celui créé par le peigne 10a. Ces deux peignes de compensation 10a et 10b sont disposés symétriquement par rapport à l'axe 32 et les entrefers e et λe du premier peigne sont symétriques des entrefers de ce deuxième peigne par rapport à cet axe 32. Comme indiqué sur la figure 3b, on peut aussi prévoir des peignes de compensation du biais en quadrature 10c et 10d disposés sur l'autre côté parallèle à Oy. Ils sont alors symétriques des peignes 10a et 10b par rapport à l'axe 38 ou bien peuvent aussi être symétriques des peignes 10a et 10b par rapport au point d'intersection des axes 38 et 32. De préférence, un peigne 20 d'ajustement de la fréquence Fy tel que décrit en relation avec la figure 2c est ajouté à ce gyromètre des figures 3a ou 3b. Il est associé à la masse 30 apte à vibrer selon y. Il est disposé au centre de la masse 30 le long de l'axe 38, dans le prolongement du peigne 90 de détection. Il comprend un demi-peigne fixe 25 attaché à une zone d'ancrage et un demi-peigne mobile 26 faisant partie de la masse de détection elle-même. La masse de détection comporte une découpe pour laisser la place au peigne fixe 25 et à la zone d'ancrage, et les bords de cette découpe sont découpés en forme de doigts pour constituer le demi- peigne mobile 26 dans lequel viennent s'intercaler les doigts du demi-peigne fixe. Dans l'exemple représenté, le peigne 20 est double, c'est-à-dire que le demi-peigne fixe 25 situé sur l'axe 38 comporte des doigts de part et d'autre de l'axe de symétrie 38 et les deux côtés de la découpe de la masse 30 sont pourvus de doigts pour former deux demi-peignes mobiles 26a et 26b situés de part et d'autre de l'axe 38.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, des peignes de compensation du biais en quadrature et d'ajustement de fréquence sont réalisés sur un gyromètre à diapason dont deux exemples sont représentés figures 4 et 5. Une structure de gyromètre de type diapason est une structure symétrique comportant deux ensembles inertiels mobiles 1 et 1 ' vibrant en opposition de phase, ces ensembles mobiles étant reliés entre eux par une structure de couplage servant à transmettre sans pertes, d'un ensemble à l'autre, les énergies mécaniques de vibration des deux ensembles pour mettre en opposition de phase ces vibrations. La symétrie de la structure est une symétrie par rapport à un axe A1 parallèle à l'axe x, avec un ensemble mobile de chaque côté de cet axe.
La structure de couplage est constituée de préférence par deux cadres extérieurs rectangulaires 21 et 21 ' à l'intérieur desquels sont situés les ensembles inertiels mobiles. Les cadres 21 et 21 ' sont reliés entre eux par une courte barre de liaison 22 pouvant être considérée comme rigide. La barre de liaison 22 relie le milieu d'un côté du premier cadre au milieu d'un côté adjacent du deuxième cadre. Elle constitue un centre de symétrie de toute la structure ; elle est perpendiculaire à l'axe A1 et centrée sur cet axe. La barre de liaison courte 22 peut être une double barre également centrée sur l'axe A1 comme dans les exemples des figures 4 et 5.
Les cadres extérieurs 21 et 21 ' de la structure de couplage entourent les deux ensembles mobiles en principe par au moins trois côtés et ils sont reliés à ces deux ensembles de préférence le long de côtés perpendiculaires à l'axe de symétrie générale A1. Les cadres 21 et 21 ' peuvent (facultativement) être fixés chacun à une zone d'ancrage 24, 24' située au milieu d'un côté opposé au côté relié à la barre de liaison 22. Dans ce cas, les cadres 21 et 21 ' entourent complètement chacun un ensemble mobile inertiel respectif. La barre de liaison centrale 22 et les autres côtés des cadres 21 et 21 ' ne sont pas reliés à des zones d'ancrage fixes.
On distingue parmi les gyromètres à diapason, les gyromètres à simple diapason et les gyromètres à double diapason.
Chaque ensemble inertiel mobile 1 et 1 ' d'un gyromètre à simple diapason est par exemple tel que celui décrit en relation avec les figures 3. Les éléments de l'ensemble inertiel mobile 1 ' portent les mêmes références que celles de l'ensemble 1 , assorties du signe 'prime'.
Chaque ensemble inertiel 1 et l' d'un gyromètre à double diapason décrit en relation avec la figure 5, comporte par exemple une masse inertielle mobile centrale 30, un cadre inertiel intermédiaire interne 40 qui l'entoure et un cadre inertiel intermédiaire externe 50 qui entoure le cadre interne 40 et qui est donc situé entre le cadre intermédiaire interne 40 et le cadre extérieur 21.
La masse centrale 30 que l'on désigne par masse de détection et le cadre intermédiaire interne 40 ne peuvent se déplacer que selon une direction Oy (axe vertical dans le plan de la figure) ; le cadre intermédiaire externe 50 peut se déplacer selon l'axe Oy et selon l'axe Ox. L'axe sensible du gyromètre est l'axe Oz. On excite une vibration du cadre intermédiaire inertiel externe 50 dans la direction Ox ; lorsque le gyromètre tourne autour de son axe sensible Oz, une vibration du cadre intermédiaire externe 50 est engendrée selon l'axe Oy. Cette vibration selon Oy est transmise au cadre intermédiaire interne 40, alors que la vibration selon Ox n'est pas transmise : la vibration selon Oy du cadre intermédiaire interne 40 est en phase avec celle du cadre intermédiaire externe 50. La vibration selon Oy du cadre intermédiaire interne 40 est transmise à la masse 30 : la vibration selon Oy de la masse 30 est en opposition de phase avec celle du cadre interne 40 et d'amplitude proportionnelle au mouvement de vibration du cadre interne 40. Le mouvement de détection est ainsi équilibré au sein de chacun des deux ensembles mobiles du fait que le mouvement de la masse de détection 30 contrebalance le mouvement des cadres intermédiaires interne 40 et externe 50.
La masse centrale 30 est reliée à la zone d'ancrage 34 par deux bras 31 et 33 et à la deuxième zone d'ancrage 36 par deux bras 35 et 37 ; le cadre intermédiaire externe 50 est relié au cadre intermédiaire interne 40 par quatre bras de flexion désignés par les références 52, 54, 56, 58 comme déjà décrit dans l'exemple de la figure 3.
Le cadre intermédiaire interne 40 est relié à la masse centrale 30 par quatre bras de flexion 41 , 43, 45, 47 de préférence repliés en U, disposés symétriquement par rapport aux axes de symétrie 32 et 38 ; d'autres bras de flexion 61 , 63, 65, 67 relient ce cadre intermédiaire 40 aux zones d'ancrage 34 et 36. Ces bras présentent une grande raideur selon l'axe x et une faible raideur selon l'axe y. Les peignes d'excitation 70, de détection du mouvement d'excitation 80, et de compensation du biais 10a et 10b sont associés au cadre intermédiaire externe 50 comme déjà décrit précédemment avec les exemples des figures 2 et 3. Le peigne de détection 90 et d'ajustement de la fréquence 20 sont associés à la masse centrale 30 comme déjà décrit précédemment.

Claims

REVENDICATIONS
1. Gyromètre à structure vibrante réalisé par micro-usinage dans une plaque mince, qui comporte un ensemble inertiel mobile (1 ) comprenant au moins une masse mobile (50) apte à vibrer dans le plan de la plaque selon un axe x d'excitation et selon un axe y de détection sensiblement perpendiculaire à l'axe x, un peigne de détection (90) interdigité et un peigne d'excitation (70) interdigité, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un peigne interdigité (10a) supplémentaire dit peigne de compensation du biais en quadrature, associé à la masse (50) et qui présente deux entrefers dissymétriques e et λe, λ étant un nombre réel positif, pour soumettre celle- ci, par l'application d'une tension V continue réglable sur ce peigne, à une raideur électrostatique de couplage entre l'axe x et l'axe y ajustable permettant de compenser le biais en quadrature du gyromètre.
2. Gyromètre selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le ou les peignes (10a) de compensation du biais en quadrature sont disposés selon l'axe y.
3. Gyromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble inertiel mobile (1 , 1 ') présentant un axe de symétrie (32) parallèle à l'axe x, il comprend un deuxième peigne de compensation du biais en quadrature (10b), les deux peignes (10a, 10b) de compensation étant disposés symétriquement par rapport à l'axe de symétrie (32) et en ce que le deuxième peigne (10b) présente selon y deux entrefers symétriques des entrefers du premier peigne par rapport à l'axe de symétrie.
4. Gyromètre selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'ensemble inertiel mobile (1 , 1 ') présentant un axe de symétrie (38) parallèle à l'axe y, il comprend un troisième et un quatrième peignes de compensation du biais en quadrature (10c, 10d), ces deux peignes (10c, 10d) de compensation étant respectivement symétriques des premier et deuxième peignes (10a, 10b) par rapport à l'axe de symétrie parallèle à y (38).
5. Gyromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'ensemble inertiel mobile (1 , l') présentant un axe de symétrie (38) parallèle à l'axe y, il comprend un troisième et un quatrième peigne de compensation du biais en quadrature (10c, 1Od), ces deux peignes (10c, 1Od) de compensation étant respectivement symétriques des premier et deuxième peignes (10a, 10b) par rapport à l'intersection de l'axe de symétrie (32) parallèle à x et de l'axe de symétrie (38) parallèle à y .
6. Gyromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble inertiel mobile (1 ) comprend une deuxième masse (30) apte à vibrer selon l'axe y de détection.
7. Gyromètre selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend une troisième masse (40) apte à vibrer en opposition de phase avec la deuxième masse (30) selon l'axe y de détection.
8. Gyromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble inertiel mobile (1 ) comprend en outre au moins un peigne (20) interdigité d'ajustement de la fréquence de détection, qui présente deux entrefers e' identiques et qui est associé à une masse apte à vibrer selon l'axe y de détection.
9. Gyromètre selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le peigne (20) d'ajustement de la fréquence de détection est disposé selon l'axe y.
10. Gyromètre selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que l'ensemble mobile (1 ) étant désigné premier ensemble mobile (1), il comprend un deuxième ensemble mobile (1 ') qui comprend les mêmes éléments que le premier ensemble mobile (1), et une structure de couplage (21 , 22, 21 ') qui relie ces deux ensembles entre eux et permet un transfert d'énergie mécanique de vibration entre eux.
1 1. Gyromètre à simple ou double diapason selon la revendication précédente.
PCT/EP2006/069437 2005-12-13 2006-12-07 Gyrometre vibrant equilibre par un dispositif electrostatique WO2007068649A1 (fr)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE602006014592T DE602006014592D1 (de) 2005-12-13 2006-12-07 Durch eine elektrostatische einrichtung ausgeglichenes vibrationsgyrometer
EP06819924A EP1960736B1 (fr) 2005-12-13 2006-12-07 Gyrometre vibrant equilibre par un dispositif electrostatique
US12/096,938 US8104364B2 (en) 2005-12-13 2006-12-07 Vibratory gyroscope balanced by an electrostatic device

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0512612A FR2894661B1 (fr) 2005-12-13 2005-12-13 Gyrometre vibrant equilibre par un dispositif electrostatique
FR0512612 2005-12-13

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2007068649A1 true WO2007068649A1 (fr) 2007-06-21

Family

ID=36785216

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2006/069437 WO2007068649A1 (fr) 2005-12-13 2006-12-07 Gyrometre vibrant equilibre par un dispositif electrostatique

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8104364B2 (fr)
EP (1) EP1960736B1 (fr)
DE (1) DE602006014592D1 (fr)
FR (1) FR2894661B1 (fr)
WO (1) WO2007068649A1 (fr)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2953012A1 (fr) * 2009-11-24 2011-05-27 Thales Sa Gyrometre a structure vibrante a au moins un diapason
FR2953011A1 (fr) * 2009-11-24 2011-05-27 Thales Sa Gyrometre a structure vibrante a au moins un diapason

Families Citing this family (53)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI20095201A0 (fi) * 2009-03-02 2009-03-02 Vti Technologies Oy Värähtelevä mikromekaaninen kulmanopeusanturi
WO2010103093A1 (fr) * 2009-03-11 2010-09-16 Continental Teves Ag & Co. Ohg Capteur de vitesse de rotation à double axe
DE102009019318A1 (de) * 2009-04-30 2011-03-24 Continental Teves Ag & Co. Ohg Verfahren zum präzisen Messbetrieb eines mikromechanischen Drehratensensors
US8151641B2 (en) 2009-05-21 2012-04-10 Analog Devices, Inc. Mode-matching apparatus and method for micromachined inertial sensors
US8266961B2 (en) 2009-08-04 2012-09-18 Analog Devices, Inc. Inertial sensors with reduced sensitivity to quadrature errors and micromachining inaccuracies
US8593155B2 (en) 2009-08-13 2013-11-26 Analog Devices, Inc. MEMS in-plane resonators
US8783103B2 (en) * 2009-08-21 2014-07-22 Analog Devices, Inc. Offset detection and compensation for micromachined inertial sensors
US8701459B2 (en) * 2009-10-20 2014-04-22 Analog Devices, Inc. Apparatus and method for calibrating MEMS inertial sensors
DE102010006584B4 (de) * 2010-02-02 2012-09-27 Northrop Grumman Litef Gmbh Corioliskreisel mit Korrektureinheiten und Verfahren zur Reduktion des Quadraturbias
US9091544B2 (en) 2010-11-05 2015-07-28 Analog Devices, Inc. XY-axis shell-type gyroscopes with reduced cross-talk sensitivity and/or mode matching
US8919199B2 (en) 2010-12-01 2014-12-30 Analog Devices, Inc. Apparatus and method for anchoring electrodes in MEMS devices
US8631700B2 (en) 2010-11-05 2014-01-21 Analog Devices, Inc. Resonating sensor with mechanical constraints
US8616056B2 (en) 2010-11-05 2013-12-31 Analog Devices, Inc. BAW gyroscope with bottom electrode
US9039976B2 (en) 2011-01-31 2015-05-26 Analog Devices, Inc. MEMS sensors with closed nodal anchors for operation in an in-plane contour mode
ITTO20110688A1 (it) * 2011-07-28 2013-01-29 St Microelectronics Srl Giroscopio microelettromeccanico con funzione di autocalibrazione e metodo di calibrazione di un giroscopio microelettromeccanico
CN103363982B (zh) 2012-04-04 2018-03-13 精工爱普生株式会社 陀螺传感器、电子设备以及移动体
US9212908B2 (en) 2012-04-26 2015-12-15 Analog Devices, Inc. MEMS gyroscopes with reduced errors
US9310202B2 (en) * 2012-07-09 2016-04-12 Freescale Semiconductor, Inc. Angular rate sensor with quadrature error compensation
JP6195051B2 (ja) * 2013-03-04 2017-09-13 セイコーエプソン株式会社 ジャイロセンサー、電子機器、及び移動体
US9476711B2 (en) 2013-06-24 2016-10-25 Freescale Semiconductor, Inc. Angular rate sensor with quadrature error compensation
US9599471B2 (en) 2013-11-14 2017-03-21 Analog Devices, Inc. Dual use of a ring structure as gyroscope and accelerometer
US9709595B2 (en) 2013-11-14 2017-07-18 Analog Devices, Inc. Method and apparatus for detecting linear and rotational movement
JP6303760B2 (ja) * 2014-04-22 2018-04-04 セイコーエプソン株式会社 機能素子、物理量センサー、電子機器及び移動体
US10746548B2 (en) 2014-11-04 2020-08-18 Analog Devices, Inc. Ring gyroscope structural features
US9869552B2 (en) * 2015-03-20 2018-01-16 Analog Devices, Inc. Gyroscope that compensates for fluctuations in sensitivity
US10514259B2 (en) 2016-08-31 2019-12-24 Analog Devices, Inc. Quad proof mass MEMS gyroscope with outer couplers and related methods
US10627235B2 (en) 2016-12-19 2020-04-21 Analog Devices, Inc. Flexural couplers for microelectromechanical systems (MEMS) devices
US10415968B2 (en) 2016-12-19 2019-09-17 Analog Devices, Inc. Synchronized mass gyroscope
US10697774B2 (en) 2016-12-19 2020-06-30 Analog Devices, Inc. Balanced runners synchronizing motion of masses in micromachined devices
US10948294B2 (en) 2018-04-05 2021-03-16 Analog Devices, Inc. MEMS gyroscopes with in-line springs and related systems and methods
CN108507555B (zh) * 2018-04-16 2024-04-05 四川知微传感技术有限公司 一种mems微机械全解耦闭环陀螺仪
DE102018208326A1 (de) * 2018-05-26 2019-11-28 Robert Bosch Gmbh Drehratensensor mit einem, eine Haupterstreckungsebene aufweisenden Substrat und mindestens einem Massenschwinger
US11333499B2 (en) 2018-09-14 2022-05-17 Honeywell International Inc. Vibratory error compensation in a tuning fork gyroscope such as a Coriolis Vibratory Gyroscope (CVG)
CN109489648B (zh) * 2018-12-30 2022-07-01 瑞声声学科技(深圳)有限公司 一种陀螺仪
US11656077B2 (en) 2019-01-31 2023-05-23 Analog Devices, Inc. Pseudo-extensional mode MEMS ring gyroscope
EP3696503B1 (fr) * 2019-02-15 2022-10-26 Murata Manufacturing Co., Ltd. Gyroscope multiaxial anti-vibration
US11060866B2 (en) * 2019-02-15 2021-07-13 Murata Manufacturing Co., Ltd. Balanced multiaxis gyroscope
CN109946481B (zh) * 2019-04-02 2024-04-19 四川知微传感技术有限公司 一种基于刚度补偿的mems闭环加速度计
FR3097044A1 (fr) * 2019-06-05 2020-12-11 Robert Bosch Gmbh Capteur de vitesse de rotation
IT201900009453A1 (it) * 2019-06-19 2020-12-19 Bosch Gmbh Robert Sensore di velocità angolare con un substrato avente un piano di estensione principale e con almeno un oscillatore di massa
WO2021018368A1 (fr) * 2019-07-26 2021-02-04 Robert Bosch Gmbh Capteur de vitesse de rotation ayant un substrat avec un plan d'extension principal et ayant au moins un oscillateur à masse
CN110514188B (zh) * 2019-09-03 2021-01-26 深迪半导体(上海)有限公司 陀螺仪及工艺修正陀螺仪正交误差的方法
TWI770605B (zh) * 2019-09-10 2022-07-11 昇佳電子股份有限公司 微機電陀螺儀
CN111246336B (zh) * 2020-02-27 2022-03-08 深迪半导体(绍兴)有限公司 耳机和电子设备
EP3971522B1 (fr) 2020-05-25 2023-06-28 Murata Manufacturing Co., Ltd. Gyroscope multiaxes avec des masses supplémentaires
US11193771B1 (en) 2020-06-05 2021-12-07 Analog Devices, Inc. 3-axis gyroscope with rotational vibration rejection
US11686581B2 (en) 2020-06-08 2023-06-27 Analog Devices, Inc. Stress-relief MEMS gyroscope
US11692825B2 (en) 2020-06-08 2023-07-04 Analog Devices, Inc. Drive and sense stress relief apparatus
US11698257B2 (en) 2020-08-24 2023-07-11 Analog Devices, Inc. Isotropic attenuated motion gyroscope
US20220252636A1 (en) * 2021-02-05 2022-08-11 Kionix, Inc. Accelerometer apparatuses and systems
CN115235442B (zh) * 2022-06-30 2024-05-14 南京理工大学 具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构
CN114894221B (zh) * 2022-07-06 2022-09-23 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种半球谐振陀螺正交耦合误差标定方法
CN117031070B (zh) * 2023-10-08 2024-01-12 浙江大学 基于静电正负刚度平衡设计的准零刚度mems加速度计

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004042324A1 (fr) * 2002-11-05 2004-05-21 Thales Capteur gyrometrique micro-usine, a detection dans le plan de la plaque usinee
US20040123660A1 (en) * 2002-01-12 2004-07-01 Rainer Willig Rotational rate sensor

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3409565B2 (ja) * 1996-03-01 2003-05-26 日産自動車株式会社 角速度センサの自己診断方法
US6003370A (en) * 1996-05-30 1999-12-21 Minolta Co., Ltd. Elastic surface wave gyroscope
AU2002308545A1 (en) * 2001-05-02 2002-11-11 The Regents Of The University Of California Non-resonant four degrees-of-freedom micromachined gyroscope
FR2849183B1 (fr) 2002-12-20 2005-03-11 Thales Sa Gyrometre vibrant avec asservissement de la frequence de detection sur la frequence d'excitation
US6770504B2 (en) * 2003-01-06 2004-08-03 Honeywell International Inc. Methods and structure for improving wafer bow control
US6860151B2 (en) * 2003-02-07 2005-03-01 Honeywell International Inc. Methods and systems for controlling movement within MEMS structures
FR2856789B1 (fr) 2003-06-27 2005-08-26 Thales Sa Gyrometre a masse vibrante
US7124634B2 (en) * 2003-07-29 2006-10-24 The Boeing Company Single plate capacitive acceleration derivative detector
FR2859527B1 (fr) 2003-09-09 2005-11-18 Thales Sa Gyrometre micro-usine a double diapason et a detection dans le plan de la plaque usinee
FR2859528B1 (fr) 2003-09-09 2006-01-06 Thales Sa Gyrometre micro-usine a double diapason et a detection dans le plan de la plaque usinee
WO2007086849A1 (fr) * 2006-01-25 2007-08-02 The Regents Of The University Of California Gyroscope monobloc micro-usiné, à logique d'entraînement en opposition de phase, et procédé de mise en oeuvre correspondant

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040123660A1 (en) * 2002-01-12 2004-07-01 Rainer Willig Rotational rate sensor
WO2004042324A1 (fr) * 2002-11-05 2004-05-21 Thales Capteur gyrometrique micro-usine, a detection dans le plan de la plaque usinee

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CLARK W A ET AL: "SURFACE MICROMACHINED Z-AXIS VIBRATORY RATE GYROSCOPE", TECHNICAL DIGEST, IEEE SOLID-STATE SENSOR & ACTUATOR WORKSHOP, NEW YORK, NY, US, 3 June 1996 (1996-06-03), pages 283 - 287, XP001028168 *
YEH B Y ET AL: "Modelling and compensation of quadrature error for silicon MEMS microgyroscope", POWER ELECTRONICS AND DRIVE SYSTEMS, 2001. PROCEEDINGS., 2001 4TH IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON, PISCATAWAY, NJ, USA,IEEE, vol. 2, 22 October 2001 (2001-10-22), pages 871 - 876, XP010571645, ISBN: 0-7803-7233-6 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2953012A1 (fr) * 2009-11-24 2011-05-27 Thales Sa Gyrometre a structure vibrante a au moins un diapason
FR2953011A1 (fr) * 2009-11-24 2011-05-27 Thales Sa Gyrometre a structure vibrante a au moins un diapason
WO2011064016A1 (fr) 2009-11-24 2011-06-03 Thales Gyrometre a structure vibrante a au moins un diapason
WO2011064017A1 (fr) 2009-11-24 2011-06-03 Thales Gyrometre a structure vibrante a au moins un diapason

Also Published As

Publication number Publication date
FR2894661B1 (fr) 2008-01-18
US20080282833A1 (en) 2008-11-20
US8104364B2 (en) 2012-01-31
EP1960736A1 (fr) 2008-08-27
EP1960736B1 (fr) 2010-05-26
DE602006014592D1 (de) 2010-07-08
FR2894661A1 (fr) 2007-06-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1960736B1 (fr) Gyrometre vibrant equilibre par un dispositif electrostatique
EP1515119B1 (fr) Gyromètre micro-usiné à double diapason
EP1899681B1 (fr) Capteur gyrometrique micro-usine realisant une mesure differentielle du mouvement des masses vibrantes
EP2960625B1 (fr) Capteur inertiel angulaire mems fonctionnant en mode diapason
EP1558896B1 (fr) Capteur gyrometrique micro-usine, a detection dans le plan de la plaque usinee
EP2367015B1 (fr) Capteur de force a bruit reduit
EP1456606B1 (fr) Capteur inertiel micro-usine pour la mesure de mouvements de rotation
EP2679952B1 (fr) Gyroscope micro-usiné à détection dans le plan de la plaque usinée
FR2917731A1 (fr) Dispositif resonant a detection piezoresistive realise en technologies de surface
EP0915323A1 (fr) Microgyromètre vibrant
EP2656006A2 (fr) Structure planaire pour gyromètre tri-axe
EP1515118B1 (fr) Gyromètre micro-usine à structure vibrante et à détection dans le plan de la plaque usinée
EP0307321B1 (fr) Dispositif gyrométrique piézoélectrique
EP3707522B1 (fr) Capteur de gradient de champ magnétique a sensibilité aux vibrations réduite
EP3971523A2 (fr) Dispositif de couplage destiné à coupler deux éléments en mouvement
FR2860865A1 (fr) Gyrometre micromecanique infertiel a diapason
WO2022078917A1 (fr) Procede de calibration de l'ecart de raideur et/ou de la quadrature d'un capteur inertiel vibrant
CA3211041A1 (fr) Resonateur en vibration de flexion a haut facteur de qualite pour la realisation de references de temps, de capteurs de force ou de gyrometres

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2006819924

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12096938

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2006819924

Country of ref document: EP