WO2020008157A2 - Gyrometre micromecanique resonant performant a encombrement reduit - Google Patents

Gyrometre micromecanique resonant performant a encombrement reduit Download PDF

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WO2020008157A2
WO2020008157A2 PCT/FR2019/051671 FR2019051671W WO2020008157A2 WO 2020008157 A2 WO2020008157 A2 WO 2020008157A2 FR 2019051671 W FR2019051671 W FR 2019051671W WO 2020008157 A2 WO2020008157 A2 WO 2020008157A2
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mass
foot
plane
excitation
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Marc SANSA PERNA
Martial DEFOORT
Sébastien Hentz
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an efficient resonant micromechanical gyrometer with reduced overall dimensions.
  • a gyrometer is used to measure an angular speed. It comprises at least one moving mass which is set in motion under the effect of Coriolis forces, by measuring this displacement it is possible to determine the angular speed to which the gyrometer is subjected, and therefore the angular speed to which the device carrying it.
  • the mobile mass is suspended relative to the support by spring-type suspension means extending between the edges of the mass and the support, allowing movements of the mobile mass in the plane of the sensor.
  • the moving mass of resonant gyros is vibrated in one direction, called the excitation direction, and, under the effect of Coriolis forces, the mass is set in motion in another direction, called the detection direction. By measuring the displacement in the detection direction, the angular speed is determined.
  • the moving mass then has two modes, an excitation mode according to the excitation direction and a detection mode according to the detection direction-r
  • the detection force is proportional to the mass of the resonator, and therefore to its size, and to the amplitude of movement in the excitation direction.
  • the frequencies of the excitation and detection modes are close or identical to obtain maximum coupling and therefore a displacement in the significant detection direction.
  • a moving mass of large mass generally results in a large surface in the plane of the sensor.
  • the suspension means extending laterally relative to the movable mass further increase this size.
  • the larger the moving mass has a larger surface the higher the cost price of the sensor.
  • the number of sensors that can be produced per chip is reduced.
  • a structure of micromechanical gyrometer resonant with detection in the plane comprising a support, a mobile mass, the mass being suspended from the support by means of at least one foot anchored to the support and connecting to the moving mass on an area thereof facing the support.
  • the mass of the mobile part is mainly located at the level of the seismic mass and the stiffness at the level of the foot (s), which makes it possible to partially decouple the mass and the stiffness, and to modify the mass by acting little on the stiffness and vice versa. We can then fix the stiffness and the mass at least in part independently.
  • the gyrometer without increasing the resonant frequency and therefore without loss of performance, in comparison with the gyrometers of the prior art.
  • the mass of the mobile mass can advantageously be optimized with respect to the grip of the sensor.
  • the means suspending the movable mass are arranged under the mass, they therefore do not participate in the bulk in the plane of the gyrometer.
  • the surface and therefore the mass of the mobile mass can be maximized.
  • the excitation and detection means are located at the foot, the size of the gyrometer is then that of the mass.
  • the excitation and detection modes are two resonant modes, and more preferably the two modes have close or equal resonant frequencies.
  • the suspension means are produced in a plane different from the plane in which the movable mass is intended to move, which makes it possible to make the mass and the stiffness partially independent.
  • the parameters involved in equation (I) and affecting the performance of the gyrometer are decoupled, and can be optimized separately, which makes it possible to achieve a good compromise between bulk and detection performance.
  • the mass suspension means are not in the mass plane, which allows a significant saving of space.
  • the detection means are optical means, making it possible to offer a gyrometer having a wider bandwidth than the electrical detection means.
  • One of the objects of the present invention is a micromechanical resonant gyrometer comprising a support and a mobile mass able to move in a plane of the gyrometer relative to the support, means for exciting said mobile mass in a first direction and means of detecting displacement of said moving mass in a second direction.
  • the gyroscope also comprises at least one foot anchored on the support by a first end and fixed to the mobile mass by a second end, and allowing the mobile mass to move in the plane of the gyrometer along the first and second directions.
  • the excitation means and / or detection means are located at least partly under the moving mass, which makes it possible to reduce the size of the latter and to offer a more compact gyrometer.
  • at least part of the excitation means is carried by the foot and / or is in mechanical interaction with the foot so that the action of the excitation means acts directly on the foot and / or that the means sensors directly detect foot vibrations.
  • at least part of the excitation means is located under the mass so that the action of the excitation means acts directly on the mass and / or at least part of the detection means is located under the mass so that they directly detect the vibrations of the mass.
  • the at least one foot has a section in the plane of the gyrometer smaller than the surface of the mobile mass in the plane of the gyrometer.
  • the section of the foot in the plane of the gyrometer is of the order of l / 100 th of the surface of the moving mass in the plane of the gyrometer.
  • the gyroscope may have several feet anchored on the support by a first end and fixed to the moving mass by a second end, and the sum of the sections of the feet in the plane of the gyrometer is preferably less than the surface of the moving mass in the plan of the gyrometer.
  • the gyrometer advantageously comprises a first mode resonating at a first resonant frequency along the first direction and a second mode resonating at a second resonant frequency in the second direction.
  • the first and second resonant frequencies are close or equal.
  • the movable mass and the at least one foot may have at least two axes of orthogonal symmetries in the plane of the gyroscope, one of the axes of symmetry being aligned with the first direction, and the other axis of symmetry being aligned with the second axis.
  • the excitation means comprise at least one electrode carried by the support and one electrode carried or formed by the foot or the moving mass, so as to apply an electrostatic force to the foot or to the moving mass in the first direction.
  • the excitation means comprise at least one beam made of piezoelectric material suspended between the substrate and the foot, oriented so as to apply a mechanical force to the foot in the first direction.
  • the detection means comprise an optical resonator arranged with respect to the moving mass so that the moving mass is at least partly in the evanescent field of the optical resonator at least in the second direction, means for injecting a light signal into the resonator and means for collecting a light signal leaving the optical resonator.
  • the movable mass comprises at least one material having a high density, and the base is made of a rigid material.
  • the excitation means and the detection means are located at the level of the foot so that the surface occupied by a gyrometer is equal to the surface of the mobile mass.
  • the gyrometer comprises means for adjusting at least the frequency of one of the modes, said adjustment means being configured to apply mechanical deformation to the foot at least during a measurement.
  • the adjustment means comprise at least one electrode carried by the support and an electrode carried or formed by the foot or the moving mass, so as to apply an electrostatic force to the foot or to the moving mass in the first or second direction.
  • the present invention also relates to a measurement method implementing a gyrometer according to the invention, comprising:
  • the measurement method can also include a step of adjusting the frequency of at least one of the modes before step a).
  • This adjustment step may include mechanical deformation of the foot throughout the duration of the measurement.
  • the two modes preferably have the same resonant frequency.
  • FIG. IA is a schematic perspective representation of an embodiment of a gyrometer according to the invention shown partially,
  • FIG. 1B is a side view of the gyrometer of FIG. 1A, the mass being in motion
  • FIG. 2 is a schematic perspective representation of another exemplary embodiment of a gyrometer according to the invention shown partially,
  • FIG. 3A is a schematic perspective representation of another exemplary embodiment of a gyrometer according to the invention partially shown
  • FIG. 3B is a schematic side view and top view of another embodiment of a gyrometer according to the invention comprising several feet,
  • FIG. 4 is a top view schematically represented of a gyrometer according to the invention with an example of excitation means
  • FIGS. 5, 6 and 7 are top views schematically represented of gyrometers according to the invention comprising means for detecting the displacement of the mass along the Y axis according to three exemplary embodiments,
  • FIG. 8 is a top view schematically represented of a gyrometer according to the invention with an example of means for adjusting the frequency of one of the modes
  • FIGS. 9A to 9G are schematic representations of elements obtained during the various stages of an example of a method for producing a gyrometer according to the invention
  • FIG. 10 is a top view of a gyrometer of the state of the art.
  • FIG. 11A is a schematic perspective representation of an embodiment of a gyrometer partially shown, working in a resonance mode "torsion"
  • FIG. 11B is a side view of the gyrometer of Figure IA, the mass undergoing angular acceleration.
  • the gyrometer is produced in the form of a microelectromechanical system or MEMS (Microelectromechanical System in English terminology).
  • FIG. 1A an example of a gyrometer G1 according to the invention can be seen.
  • the gyro G1 comprises a support 2, a movable mass 4 and means 6 for suspending the mass relative to the support.
  • the suspension means 6 are such that the moving mass 4 moves mainly in the XY plane of the sensor.
  • the plane of the sensor is a plane parallel to the support.
  • the suspension means 6 comprise a foot anchored on the support by a first longitudinal end 6.1 and fixed to the mass 4 by a second longitudinal end 6.2.
  • the base is fixed to the movable mass 4 at the level of a face 4.1 thereof opposite the support 2.
  • the movable mass 4 has the shape of a rectangular parallelepiped, one of the faces of largest surface being opposite the substrate, and the foot extends longitudinally in a direction Z orthogonal to the plane XY.
  • the foot has a circular section in the XY plane.
  • the foot is such that it is able to deform in flexion to allow the mass to move and vibrate in the XY plane, on the one hand under the action of the excitation means, and on the other hand under the effect of Coriolis W z .
  • a gyrometer of the state of the art comprises a frame 300 suspended by springs 302 extending laterally between the frame 300 and the substrate 304, and a movable mass 306 suspended in the frame 300 by springs 308 extending laterally between the movable mass 306 and the substrate 304
  • the frame 300 and the mobile mass are mobile in the excitation direction X and the mobile mass is mobile in the detection direction Y.
  • the rigidity is mainly regulated by the characteristics of the foot, while the mass of the resonator is mainly fixed by the dimensions of the mobile mass.
  • the foot forms both the mass suspension means to allow it to move in the direction of excitation under the action of the excitation means, and to move in the direction of actuation under the effect of Coriolis forces, whereas a gyrometer of the state of the art as shown in FIG. 10 requires both suspension means allowing movements of the mass in the excitation direction and means of suspension allowing movements of the mass in the detection direction.
  • the excitation direction is the X direction and the detection direction is the Y direction.
  • the mass of the resonator is mainly that of the mobile mass, the mass of the stand representing a small part of the mass of the resonator.
  • the mass and foot assembly forms a resonator having at least two orthogonal modes of vibration.
  • the excitation mode and the detection mode are both resonance modes, so the displacement of the mass in the detection direction is amplified.
  • the resonance frequencies of the two modes are close, for example the resonance frequency of each mode is contained in the passband of the other mode. For example, if we consider fl the resonance frequency of mode 1 and Q.1 its quality factor, and f2 the resonance frequency of mode 2 and Q.2 its quality factor, then we preferably choose Ifl - f2l ⁇ (fl / Q.1) and Ifl - f2l ⁇ (f2 / Q.2).
  • the two modes have the same resonant frequency.
  • the resonator comprising the mass and the foot has at least two axes of symmetry in the plane, one of the axes being the direction of excitation and the other axis being the direction of detection, the mass is then by example a rectangular or square parallelepiped, the foot can then have a square or rectangular or circular section. The foot is centered relative to the mass. In FIG. 1A, the foot is fixed to the mass at the point of intersection of the diagonals of the face of the mass.
  • the mass has an ellipsoidal section in the XY plane or any other polygonal shape having two axes of orthogonal symmetries.
  • the mass and the foot have a central symmetry with respect to the out-of-plane direction.
  • the gyro G2 has a mass 4 'having a circular section in the plane ( Figure 2) and the gyro G3 has a mass of spherical shape 4 ( Figure 3A).
  • only one of the modes is a resonant mode, in this case it is preferably the excitation mode.
  • the amplitude of the movements in the detection direction is low compared to that for a resonator with two resonant modes, but it has the advantage of not requiring the development of a resonator with two orthogonal modes of close frequency, which makes it possible to avoid the implementation of a post-manufacturing frequency adjustment method.
  • the gyrometer also comprises means 8 for exciting the moving mass in the excitation direction, direction X in the example shown, and means 10 for detecting mass displacement under the effect of Coriolis forces, the direction Y in the example shown. Examples of excitation means and detection means will be described below.
  • FIG. 1B a mode of vibration of the resonator of FIG. 1A, which takes place essentially in the XY plane, can be represented diagrammatically. It will be understood that, since the foot is deformed in flexion and does not lengthen, the mass has an out-of-plane displacement, but this is very small, it is not detected and does not disturb the measurement of the displacement in the plan.
  • the mobile mass 4 is symmetrical in the XY plane, in the example shown it has a square shape in the XY plane and moreover it has a uniform thickness, which makes it possible to have close resonance frequencies. or equal in the two modes of vibration.
  • the section of the foot in the XY plane is at most equal to the section of the mass in the XY plane.
  • the section of the foot is of the order of l / 100 th of the section of the mass.
  • the suspension means comprise a single foot, which makes it possible to have a low resonant frequency and a high amplitude of movement Adrive.
  • the gyrometer has several feet supporting the mobile mass.
  • the suspension means comprise several feet distributed under the mass. The total section of the feet in the XY plane is less than or equal to the section of the mass in the plane.
  • the foot (s) have a length at least equal to its widest dimension in the XY plane, for example, its diameter in the case of a circular foot, or the longer side in the case of a rectangular pillar.
  • the feet have a length equal to or greater than ten times the widest dimension in the XY plane.
  • the mobile mass has a surface of between 1 pm x 1 pm and 500 pm x 500pm, and a thickness of between 1 pm and 500 pm, and the surface of each leg can be between 50 nm x 50 nm and at 100 pm x 100 pm.
  • the length of the foot (s) is between 50 nm and 100 pm.
  • the mobile mass is made at least in part from a material having a high density in order to maximize the mass and therefore the effect of Coriolis forces on the moving mass.
  • a material having a high density for example, one chooses silicon which has a density of 2300 kg / m 3 or else tantalum, which has a density of 16690 kg / m 3 .
  • the feet are made of a rigid material, i.e. having a high Young's modulus, of more than 100 GPa.
  • it is an isotropic material, for example crystalline, so as to offer the same behavior in the excitation direction and in the detection direction.
  • silicon which is a crystalline material with a Young's modulus of 130-188 GPa.
  • the substrate, the feet and the moving mass can be made of the same material or different materials.
  • the mass may have any polyhedral shape or not, and the foot (s) may have a polygonal or any section.
  • the foot or the feet has or have a constant section along the direction Z. According to another example, it can be envisaged that it has a variable section along the direction Z.
  • the axis of each foot may not be orthogonal to the XY plane in which the moving mass is contained, and form an angle with that, for example between 60 ° and 90%
  • the gyroscope structure comprises a cylindrical foot with a circular section and a mobile mass in the form of a parallelepiped with a square base, the foot being attached to one face of the cube at the point of intersection of its diagonals and the axis of the foot is orthogonal to said face.
  • the foot has a diameter of 1 ⁇ m and a length of 2 ⁇ m.
  • the mass has a section of 5 ⁇ m side in the XY plane and a thickness of 3 ⁇ m along the Z direction.
  • the structure has two orthogonal resonance modes having a resonance frequency of 27.5 MHz.
  • a gyrometer according to the invention can have several feet suspending the moving mass relative to the substrate.
  • the gyrometer comprises four first feet 106 positioned and / or dimensioned to favor movement in the direction of excitation, and one or more second feet positioned and / or sized to favor the displacement of the moving mass in the detection direction.
  • This embodiment has the advantage of ensuring the mechanical stability of the structure when the feet are very long, or when the mass section is much wider than that of the foot.
  • means for exciting said mass i.e. means for actuating the mass so as to set it in motion in the direction of excitation.
  • the excitation means 8 are of the electrostatic type. They comprise an electrode 12 carried by the substrate and disposed opposite a lateral face 4.2 of the movable mass, the lateral face and the electrode being perpendicular to the excitation axis, the axis X in the present example.
  • the lateral face 4.2 also forms an electrode.
  • an electrostatic force modulated at the resonant frequency is generated in the X direction, vibrating the moving mass at its resonant frequency in the X direction.
  • moving mass is not made of an electrically conductive material, a conductive deposit is made on the side face to form an electrode.
  • the electrode is placed opposite a face of the foot, thus the excitation means do not increase the size in the plane of the gyrometer.
  • the excitation means are of the piezoelectric type, for example they comprise a piezoelectric material deposited in the form of a layer on a face of the foot oriented so that, when a current modulated at the resonant frequency passes through the piezoelectric layer, the foot and therefore the mass are vibrated in the X direction.
  • the excitation means are of the thermal type.
  • they have a beam suspended between the substrate and the base, which extends in the direction X.
  • the material of the beam heats up and expands in the direction X.
  • the beam expands and contracts along the X direction causing a back and forth movement of the foot in the X direction and a vibration of the moving mass.
  • the beam is for example a nanowire, which has a thermal response time much faster than the frequency of the modulation current.
  • the beam is made of piezoelectric material.
  • the beam is suspended between the substrate and a lateral face of the moving mass, the beam being aligned with the direction X.
  • the actuation means comprise several beams oriented relative to each other so that the resulting force applied to the foot be oriented in the direction X.
  • the excitation of the mobile mass is carried out by means of the feet, for example four feet are produced, two of which are made of piezoelectric material, or two of which have a reduced section compared to the other two feet and are suitable for thermal actuation .
  • the gyrometer is placed on a support which can be made to vibrate at the resonant frequency, for example using piezoelectric means, also called “piezoelectric shaker".
  • FIG. 5 one can see an example of a gyrometer according to the invention implementing detection means 10 of the capacitive type.
  • they comprise an electrode 22 arranged near the ground so that the distance between the ground and the electrode varies when the mass moves in the detection direction Y.
  • the moving mass is electrically conductive and directly forms the other electrode. Otherwise an electrically conductive layer is produced to form the other electrode.
  • the moving mass and the electrode are separated by air or vacuum forming a dielectric, and form a capacitor whose capacity varies with the displacement of the moving mass along the direction Y.
  • the electrode or the mass is polarized for example at 0 V.
  • the vibration of the moving mass due to the Coriolis forces in the Y direction causes a variation in the capacitance of the capacitor, and creates a current proportional to the amplitude of vibration of the mass through the electrode.
  • the detection means include means for measuring this current, for example a transimpedance amplifier and a spectrum analyzer. From this current, it is possible to go back to the Coriolis forces.
  • Several electrodes can be used, for example to carry out a differential measurement.
  • the detection means 110 are of the piezoresistive type.
  • the detection means comprise a beam 24 made of piezoresistive material suspended between the substrate and the base, a constant tension is applied to the beam 24, the compression and extension undergone by the beam cause a variation in the electrical resistance of the beam .
  • the output current is then proportional to the gauges resistance, which varies with the vibration frequency of the resonator.
  • piezoresistive beams can be used, for example to carry out a differential measurement.
  • the foot can be used to conduct the current or a conductive track is formed along the foot.
  • the same beam can be used for actuation in one direction and for detection in this direction, preferably the beam is parallel to this direction. At least one beam is provided for excitation in one direction and one beam is provided for detection in another direction. For example, a beam parallel to the X direction is used for excitation and detection in the X direction and a beam is used for the excitation and detection in the Y direction. Thus with two beams, a two-axis gyrometer is produced.
  • the beams can be made of piezoresistive and / or piezoelectric material.
  • FIG. 7 one can see an advantageous example of a gyrometer according to the invention seen from above.
  • the detection means are of the optomechanical type.
  • the detection means 210 comprise an optical resonator 14, in this example a ring disposed relative to the moving mass so that it moves in the evanescent field (symbolized by the dotted circle) of the ring, which is typically of the order of several hundred nanometers for a light with a wavelength of 1550 nm.
  • the mass is located at a distance between 50 nm and 200 nm from the edge of the ring.
  • They also include a waveguide 16 located near the ring and intended to inject an input light signal into the resonator and to recover an output light signal.
  • a source 18 generates the light signal in the waveguide, for example at one end of the waveguide and a detector 19, for example at the other end of the waveguide, collects the light signal leaving the ring.
  • the detector uses spectrometric techniques, it is possible to detect this intensity modulation of the output light signal. From these measurements, it is possible to trace the forces of Coriolis.
  • a waveguide for the input light signal and a waveguide for collecting the output light signal are implemented.
  • the optical resonator is located under the mass and close to the support, and it is the movement of the support which modifies the optical resonance frequency.
  • an optical resonator is used to detect the displacements along Y of several mechanical resonators, for example the moving masses are arranged around the ring in the evanescent field thereof.
  • multiplexing techniques for example time multiplexing or else resonant frequency multiplexing, are implemented to distinguish the displacement of each moving mass.
  • the ring is replaced by an optical disc
  • the movement of the resonator is measured with interferometry techniques.
  • a laser light source is separated into two different paths, one of the paths containing the optical resonator and the MEMS resonant and the other acting as a reference path.
  • the MEMS varies the optical resonance frequency, it also modulates the phase of the light at the output of the resonator.
  • the interference between the two signals modulates the intensity of the output light proportional to the movement of the MEMS.
  • optomechanical detection means makes it possible to improve the performance of the gyrometer compared to electrical detection means. In fact, they make it possible to reach a higher bandwidth than that achievable by electrical detection means.
  • the gyrometer can implement piezoelectric excitation means and optomechanical detection means or piezoelectric excitation means and piezoresistive detection means.
  • the excitation means and are located under the mass and act directly on the mass / or the detection means are located under the mass and directly measure the vibrations of the mass. This arrangement also offers great compactness.
  • the invention comprises means for adjusting the frequency of one and / or of the two modes.
  • the adjustment means comprise mechanisms for adjusting the resonance frequency of at least one of the two modes.
  • the adjustment means 26 are of the electrostatic type, they comprise an electrode 28 located on the substrate opposite an edge of the moving mass 4 and so that the electrostatic force produced is aligned with the mode whose resonance frequency is to be adjusted.
  • an electrostatic force attracts the moving mass towards the electrode, which deforms the foot and causes a change in the resonant frequency of the mode which is aligned with it.
  • the electrode is directly opposite the foot to deform it. The deformation is applied at least for the entire duration of the measurement.
  • the adjustment means comprise an electrically conductive beam suspended between the base and a fixed surface and aligned with the direction of the mode whose frequency is to be adjusted.
  • the passage of a current in the beam causes its heating which expands and applies a force against the foot, which deforms the foot. This results in a resonance frequency of the mode aligned with the beam.
  • the foot is deformed by means of a beam made of piezoelectric material.
  • the adjustment means make it possible to adjust the frequencies of the two modes.
  • a signal is applied which combines the adjustment and the excitation.
  • the signal comprises a continuous component ensuring the adjustment and a variable component ensuring the excitation.
  • the invention it is possible to reduce the surface of the moving mass to reduce the bulk in the plane of the gyrometer without deteriorating its performance.
  • the size of the sensor in the plane is limited to that of the mass.
  • the gyrometer of FIG. 4 implementing an optical resonator arranged on one side of the moving mass, with equivalent performance has a space requirement in the plane at most equal to a gyrometer of the state of the art of FIG. 10.
  • the gyrometer works in a “torsion” resonance mode, in which the seismic mass is excited so as to rotate in the XY plane, with a circular movement centered on the center of mass of the seismic mass, for example, the center of the circle for a circular seismic mass, the center of the square for a square seismic mass.
  • the mass when the gyrometer is subjected to an angular acceleration, the mass undergoes a force in the direction Z and inclines compared to the direction Z.
  • the foot (s) As in the operating modes moving in the directions X or Y, all the deformation of the structure is undergone by the foot (s), and the seismic mass does not undergo deformation.
  • the structure in torsion mode has a single foot located under the center of the mass of the structure, so that the structure is very flexible in torsion.
  • excitation in torsion mode can be obtained by electrostatic means comprising interdigitated electrostatic combs, at least one comb being fixed to the foot or to the ground and at least one comb is fixed to the support.
  • the movement of the mass can be deduced either through the movement of the foot, which is deformed in flexion due to the out-of-plane displacement of the mass only in the case of the appearance angular acceleration.
  • the flexural deformation is for example detected by a detection of the movement of the mass in the Z direction for example, with an electrostatic or optomechanical detection, the sensitive element being located under the mass.
  • the detection means detect the flexion of the foot.
  • FIGS. 11A and 11B we can see diagrammatically an example of a gyroscope working in a “torsional” resonance mode.
  • the mass 204 is excited in rotation about the axis Z by the excitation means 208, advantageously located under the mass and for example acting directly on the mass, no angular acceleration is applied to it.
  • the foot 206 is deformed in torsion.
  • FIG. 11B following the occurrence of an angular acceleration, the mass vibrates in the direction Z, the foot 206 is deformed in bending, and the vibrations are detected by the detection means 210 advantageously located under the mass and for example , directly measure the displacement of the mass by measuring a variation in capacity.
  • a sacrificial layer is formed, for example made of Si0 2 , for example by deposition, for example, chemical vapor deposition , or by oxidation ( Figure 9B).
  • the sacrificial layer 402 is structured to form the base, for this a cavity 404 opening out onto the substrate 400 is produced, for example by photolithography and etching.
  • the layer 406 is for example formed by deposition, for example by chemical vapor deposition.
  • the thickness of the layer 406 on the sacrificial layer 402 is advantageously that of the mobile mass which it is desired to produce.
  • the layer 406 is structured to delimit the moving mass. Trenches opening onto the sacrificial layer 402 are formed delimiting the outer edge of the moving mass. This structuring is for example carried out by photolithography and etching, for example reactive ion etching or else etching of KOH in the liquid phase.
  • the mobile mass and its base are released by etching the sacrificial layer 402, for example by wet etching, for example with hydrofluoric acid.
  • FIGS. 9F and 9G top view. It can be seen that simultaneously the substrate has been structured to produce electrodes facing the edge of the moving mass aligned with the direction X, for example to form means for adjusting the resonance frequency of the excitation mode and / or means of excitement.
  • the layer 406 of amorphous silicon is made conductive, for example by doping and heat treatment, for example to use the mass in the detection of displacement.
  • an additional layer is formed on layer 406, for example of a material having a high density, for example tungsten, to increase the mass of the mobile mass and thus improve the performance of the gyrometer.

Abstract

Gyromètre micromécanique résonant comportant un support (2) et une masse mobile (4) apte à vibrer dans un plan du gyromètre par rapport au support (2), des moyens d'excitation (8) de ladite masse mobile (4) dans une première direction (X) et des moyens de détection (10) de la vibration de ladite masse mobile (4) dans une deuxième direction (Y), caractérisé en ce que le gyromètre comporte au moins un pied (6) ancré sur le support (2) par une première extrémité et fixé à la masse mobile (4) par une deuxième extrémité, et permettant à la masse mobile (4) de vibrer dans le plan du gyromètre le long des première(X) et deuxième (Y) directions.

Description

GYROMETRE MICROMECANIQUE RESONANT PERFORMANT A ENCOMBREMENT REDUIT
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La présente invention se rapporte à un gyromètre micromécanique résonant performant à encombrement réduit.
Un gyromètre permet de mesurer une vitesse angulaire. Il comporte au moins une masse mobile qui est mise en mouvement sous l'effet des forces de Coriolis, en mesurant ce déplacement il est possible de déterminer la vitesse angulaire à laquelle est soumis le gyromètre, et donc la vitesse angulaire à laquelle est soumis le dispositif le portant.
La masse mobile est suspendue par rapport au support par des moyens de suspension type ressort s'étendant entre les bords de la masse et le support, permettant des mouvements de la masse mobile dans le plan du capteur.
Parmi les différents types de gyromètre, il existe les gyromètres dynamiques ou résonants. La masse mobile des gyromètres résonants est mise en vibration dans une direction, dite direction d'excitation, et, sous l'effet des forces de Coriolis, la masse est mise en mouvement dans une autre direction, dite direction de détection. En mesurant le déplacement dans la direction de détection, on détermine la vitesse angulaire. La masse mobile présente alors deux modes, un mode d'excitation selon la direction d'excitation et un mode de détection selon la direction de détection-r
La force Fsense s'appliquant à la masse dans la direction de détection s'écrit :
Figure imgf000003_0001
avec :
m la masse effective du résonateur,
Adrive l'amplitude de vibration du mode d'excitation, et oodrive la fréquence de vibration du mode de détection. On constate que la force de détection est proportionnelle à la masse du résonateur, et donc à sa taille, et à l'amplitude de mouvement dans la direction d'excitation. En outre il est préférable que les fréquences des modes d'excitation et de détection soient proches ou identiques pour obtenir un couplage maximal et donc un déplacement dans la direction de détection important.
Une masse mobile de masse importante se traduit en général par une surface importante dans le plan du capteur. En outre les moyens de suspension s'étendant latéralement par rapport à la masse mobile augmentent encore cet encombrement.
Or, plus la masse mobile présente une grande surface, plus le prix de revient du capteur est élevé. En outre, le nombre de capteurs réalisables par puce est réduit.
A l'inverse, une miniaturisation de la masse mobile, outre les inconvénients liés à la diminution de la masse énoncés ci-dessus, provoque une augmentation de la fréquence de résonance et une diminution de l'amplitude du mouvement de la masse mobile, ce qui entraîne des difficultés pour la mesure du capteur et des contraintes pour la circuiterie de mesure.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir une structure de gyromètre micromécanique résonant à détection dans le plan permettant une réduction de son encombrement tout en conservant de bonnes performances de détection.
Le but énoncé ci-dessus est atteint par une structure de gyromètre micromécanique résonant à détection dans le plan comportant un support, une masse mobile, la masse étant suspendue au support au moyen d'au moins un pied ancré au support et se reliant à la masse mobile sur une zone de celle-ci en regard du support.
Selon l'invention, on localise principalement la masse de la partie mobile au niveau de la masse sismique et la raideur au niveau du ou des pieds, ce qui permet de découpler en partie la masse et la raideur, et de modifier la masse en agissant peu sur la raideur et inversement. On peut alors fixer la raideur et la masse au moins en partie de manière indépendante. Ainsi il est possible de miniaturiser le gyromètre sans augmenter la fréquence de résonance et donc sans perte de performance, en comparaison des gyromètres de l'état de la technique.
En outre, on peut avantageusement optimiser la masse de la masse mobile par rapport à l'emprise du capteur. En effet, les moyens suspendant la masse mobile sont disposés sous la masse, ils ne participent donc pas à l'encombrement dans le plan du gyromètre. Ainsi la surface et donc la masse de la masse mobile peuvent être maximisées.
Dans un exemple de réalisation particulièrement avantageux, les moyens d'excitation et de détection sont situés au niveau du pied, l'encombrement du gyromètre est alors celui de la masse.
De manière préférée, les modes d'excitation et de détection sont deux modes résonants, et de manière encore préférée les deux modes ont des fréquences de résonances proches ou égales.
En d'autres termes, les moyens de suspension sont réalisés dans un plan différent du plan dans lequel la masse mobile est destinée à se déplacer, ce qui permet de rendre indépendant en partie la masse et la raideur. Ainsi les paramètres intervenant dans l'équation (I) et intervenant sur les performances du gyromètre sont découplés, et peuvent être optimisés séparément, ce qui permet d'atteindre un bon compromis entre encombrement et performances de détection.
Grâce à l'invention, les moyens de suspension de la masse ne sont pas dans le plan de masse ce qui permet un gain de place important.
De manière très avantageuse, les moyens de détection sont des moyens optiques, permettant d'offrir un gyromètre présentant une bande passante plus large que les moyens de détection électrique.
L'un des objets de la présente invention est un gyromètre micromécanique résonant comportant un support et une masse mobile apte à se déplacer dans un plan du gyromètre par rapport au support, des moyens d'excitation de ladite masse mobile dans une première direction et des moyens de détection du déplacement de ladite masse mobile dans une deuxième direction. Le gyromètre comporte également au moins un pied ancré sur le support par une première extrémité et fixé à la masse mobile par une deuxième extrémité, et permettant à la masse mobile de se déplacer dans le plan du gyromètre le long des première et deuxième directions.
Selon un exemple très avantageux les moyens d'excitation et/ou des moyens de détection sont situés au moins en partie sous la masse mobile, ce qui permet de réduire l'encombrement de ceux-ci et d'offrir un gyromètre plus compact. Selon un exemple, au moins une partie des moyens d'excitation est portée par le pied et/ou est en interaction mécanique avec le pied de sorte que l'action des moyens d'excitation agisse directement sur le pied et/ou que les moyens de détection détectent directement les vibrations du pied. Selon un autre exemple, au moins une partie des moyens d'excitation est située sous la masse de sorte que l'action des moyens d'excitation agisse directement sur la masse et/ou au moins une partie des moyens de détection est située sous la masse de sorte qu'ils détectent directement les vibrations de la masse.
De préférence, le au moins un pied présente une section dans le plan du gyromètre inférieure à la surface de la masse mobile dans le plan du gyromètre. Par exemple, la section du pied dans le plan du gyromètre est de l'ordre de l/100ème de la surface de la masse mobile dans le plan du gyromètre.
Le gyromètre peut comporter plusieurs pieds ancrés sur le support par une première extrémité et fixés à la masse mobile par une deuxième extrémité, et la somme des sections des pieds dans le plan du gyromètre est de préférence inférieure à la surface de la masse mobile dans le plan du gyromètre.
Le gyromètre comporte avantageusement un premier mode résonant à une première fréquence de résonance le long de la première direction et un deuxième mode résonant à une deuxième fréquence de résonance selon la deuxième direction. De manière préférée, les première et deuxième fréquences de résonance sont proches ou égales. La masse mobile et le au moins un pied peuvent comporter au moins deux axes de symétries orthogonaux dans le plan du gyromètre, l'un des axes de symétrie étant aligné avec la première direction, et l'autre axe de symétrie étant aligné avec le deuxième axe. Dans un exemple de réalisation, les moyens d'excitation comportent au moins une électrode portée par le support et une électrode portée ou formée par le pied ou la masse mobile, de sorte à appliquer une force électrostatique au pied ou à la masse mobile dans la première direction.
Dans un autre exemple de réalisation, les moyens d'excitation comportent au moins une poutre en matériau piézoélectrique suspendue entre le substrat et le pied, orientée de sorte à appliquer une force mécanique au pied dans la première direction.
Dans un exemple de réalisation, les moyens de détection comportent un résonateur optique disposé par rapport à la masse mobile de sorte que la masse mobile se trouve au moins en partie dans le champ évanescent du résonateur optique au moins dans la deuxième direction, des moyens pour injecter un signal lumineux dans le résonateur et des moyens pour collecter un signal lumineux sortant du résonateur optique.
Avantageusement, la masse mobile comporte au moins un matériau présentant une masse volumique élevée, et le pied est en un matériau rigide.
Dans un exemple avantageux, les moyens d'excitation et les moyens de détection sont situés au niveau du pied de sorte que la surface occupée par gyromètre soit égale à la surface de la masse mobile.
Selon une caractéristique additionnelle avantageuse, le gyromètre comporte des moyens de réglage d'au moins la fréquence de l'un des modes, lesdits moyens de réglage étant configurés pour appliquer une déformation mécanique au pied au moins pendant une mesure. Par exemple, les moyens de réglage comportent au moins une électrode portée par le support et une électrode portée ou formée par le pied ou la masse mobile, de sorte à appliquer une force électrostatique au pied ou à la masse mobile dans la première ou la deuxième direction.
La présente invention a également pour objet une méthode de mesure mettant en œuvre un gyromètre selon l'invention, comportant :
- la mise en mouvement de la masse mobile dans la première direction, - la mesure du déplacement de la masse mobile dans la deuxième direction résultant des forces de Coriolis.
La méthode de mesure peut comporter également une étape de réglage de la fréquence d'au moins l'un des modes avant l'étape a). Cette étape de réglage peut comporter la déformation mécanique du pied pendant toute la durée de la mesure. A à la fin de l'étape de réglage, les deux modes ont de préférence la même fréquence de résonance.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels:
- la figure IA est une représentation schématique en perspective d'un exemple de réalisation d'un gyromètre selon l'invention représenté partiellement,
- la figure IB est une vue de côté du gyromètre de la figure IA la masse étant en mouvement,
- la figure 2 est une représentation schématique en perspective d'un autre exemple de réalisation d'un gyromètre selon l'invention représenté partiellement,
- la figure 3A est une représentation schématique en perspective d'un autre exemple de réalisation d'un gyromètre selon l'invention représenté partiellement,
- la figure 3B une représentation schématique vue de côté et vue de dessus d'un autre exemple de réalisation d'un gyromètre selon l'invention comportant plusieurs pieds,
- la figure 4 est une vue de dessus représentées schématiquement d'un gyromètre selon l'invention avec un exemple de moyens d'excitation,
- les figures 5, 6 et 7 sont des vues de dessus représentées schématiquement de gyromètres selon l'invention comportant des moyens de détection du déplacement de la masse selon l'axe Y selon trois exemples de réalisation,
- la figure 8 une vue de dessus représentées schématiquement d'un gyromètre selon l'invention avec un exemple de moyens de réglage de la fréquence de l'un des modes, - les figures 9A à 9G sont des représentations schématiques d'éléments obtenus au cours des différentes étapes d'un exemple de procédé de réalisation d'un gyromètre selon l'invention,
- la figure 10 est une vue de dessus d'un gyromètre de l'état de la technique,
- la figure 11A est une représentation schématique en perspective d'un exemple de réalisation d'un gyromètre représenté partiellement, travaillant dans un mode de résonance « torsion »
- la figure 11B est une vue de côté du gyromètre de la figure IA, la masse subissant une accélération angulaire.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Le gyromètre est réalisé sous forme de système microélectromécanique ou MEMS (Microelectromechanical System en terminologie anglo-saxonne).
Sur la figure IA, on peut voir un exemple de gyromètre G1 selon l'invention.
Le gyromètre G1 comporte un support 2, une masse mobile 4 et des moyens de suspension 6 de la masse par rapport au support. Les moyens de suspension 6 sont tels que la masse mobile 4 se déplace principalement dans le plan XY du capteur. Le plan du capteur est un plan parallèle au support.
Dans cet exemple de réalisation, les moyens de suspension 6 comportent un pied ancré sur le support par une première extrémité longitudinale 6.1 et fixé à la masse 4 par une deuxième extrémité longitudinale 6.2. Le pied est fixé à la masse mobile 4 au niveau d'une face 4.1 de celle-ci en regard du support 2.
Dans l'exemple représenté, la masse mobile 4 a une forme de parallélépipède rectangle, l'une des faces de plus grande surface étant en regard du substrat, et le pied s'étend longitudinalement dans une direction Z orthogonale au plan XY.
Dans cet exemple, le pied a une section circulaire dans le plan XY. Le pied est tel qu'il est apte à se déformer en flexion pour permettre à la masse de se déplacer et de vibrer dans le plan XY, d'une part sous l'action des moyens d'excitation, et d'autre part sous l'effet des forces de Coriolis Wz.
Sur la figure 10, on peut voir un gyromètre de l'état de la technique. Il comporte un cadre 300 suspendu par des ressorts 302 s'étendant latéralement entre le cadre 300 et le substrat 304, et une masse mobile 306 suspendue dans le cadre 300 par des ressorts 308 s'étendant latéralement entre la masse mobile 306 et le substrat 304. Le cadre 300 et la masse mobile sont mobiles dans la direction d'excitation X et la masse mobile est mobile dans la direction de détection Y.
Grâce à l'invention, la rigidité est réglée principalement par les caractéristiques du pied, tandis que la masse du résonateur est fixée principalement par les dimensions de la masse mobile.
En outre, le pied forme à la fois les moyens de suspension de la masse pour lui permettre de se déplacer dans la direction d'excitation sous l'action des moyens d'excitation, et de se déplacer dans la direction d'actionnement sous l'effet des forces de Coriolis, alors qu'un gyromètre de l'état de la technique tel que représenté sur la figure 10 requiert à la fois des moyens de suspension autorisant les mouvements de la masse dans la direction d'excitation et des moyens de suspension autorisant les mouvements de la masse dans la direction de détection.
Par exemple, la direction d'excitation est la direction X et la direction de détection est la direction Y.
La masse du résonateur est principalement celle de la masse mobile, la masse du pied représentant une faible part de la masse du résonateur. L'ensemble masse et pied forme un résonateur ayant au moins deux modes de vibration orthogonaux.
De manière avantageuse, le mode d'excitation et le mode de détection sont tous deux des modes de résonance, ainsi le déplacement de la masse dans la direction de détection est amplifié. Dans une variante avantageuse, les fréquences de résonance des deux modes sont proches, par exemple la fréquence de résonance de chaque mode est contenue dans la bande passante de l'autre mode. Par exemple, si on considère fl la fréquence de résonance du mode 1 et Q.1 son facteur de qualité, et f2 la fréquence de résonance du mode 2 et Q.2 son facteur de qualité, alors on choisit de préférence Ifl - f2l < (fl/Q.1) et Ifl - f2l < (f2/Q.2).
De manière préférée, les deux modes ont la même fréquence de résonance.
De manière avantageuse, le résonateur comportant la masse et le pied présente au moins deux axes de symétrie dans le plan, l'un des axes étant la direction d'excitation et l'autre axe étant la direction de détection, la masse est alors par exemple un parallélépipède rectangle ou carré, le pied peut alors avoir une section carrée ou rectangulaire ou circulaire. Le pied est centré par rapport à la masse. Sur la figure IA, le pied est fixé à la masse au point d'intersection des diagonales de la face de la masse.
En variante, la masse a une section ellipsoïdale dans le plan XY ou toute autre forme polygonale présentant deux axes de symétries orthogonaux.
Dans un autre exemple avantageux, la masse et le pied présentent une symétrie centrale par rapport à la direction hors-plan. Par exemple, le gyromètre G2 comporte une masse 4' ayant une section circulaire dans le plan (figure 2) et le gyromètre G3 comporte une masse de forme sphérique 4 (figure 3A).
Dans un autre exemple de réalisation, seul un des modes est un mode résonant, dans ce cas c'est de préférence le mode d'excitation. L'amplitude des mouvements dans la direction de détection est faible comparée à celle pour un résonateur à deux modes résonants, mais il présente l'avantage de ne pas nécessiter de développer un résonateur à deux modes orthogonaux de fréquences proches, ce qui permet d'éviter la mise en œuvre d'une méthode de réglage de la fréquence post fabrication.
Le gyromètre comporte également des moyens d'excitation 8 de la masse mobile dans la direction d'excitation, la direction X dans l'exemple représenté, et des moyens de détection 10 du déplacement de masse sous l'effet des forces de Coriolis, la direction Y dans l'exemple représenté. Des exemples de moyens d'excitation et des moyens de détection seront décrits ci-dessous. Sur la figure IB, on peut voir représenté schématiquement un mode de vibration du résonateur de la figure IA, qui a lieu essentiellement dans le plan XY. Il sera compris que, puisque le pied est déformé en flexion et ne s'allonge pas, le masse a un déplacement hors-plan, mais celui-ci est très faible, il n'est pas détecté et ne perturbe pas la mesure du déplacement dans le plan.
Sur la figure IA, la masse mobile 4 est symétrique dans le plan XY, dans l'exemple représenté elle a une forme carrée dans le plan XY et en outre elle présente une épaisseur uniforme, ce qui permet d'avoir des fréquences de résonance proches ou égales dans les deux modes de vibration.
La section du pied dans le plan XY est au plus égale à la section de la masse dans le plan XY. De préférence, la section du pied est de l'ordre de l/100ème de la section de la masse.
De préférence, les moyens de suspension comportent un seul pied, ce qui permet d'avoir une fréquence de résonance basse et une amplitude de mouvement Adrive élevée.
Selon un autre exemple, le gyromètre comporte plusieurs pieds supportant la masse mobile. Par exemple, lorsque la masse mobile présente une grande surface dans le plan XY, les moyens de suspension comportent plusieurs pieds répartis sous la masse. La section totale des pieds dans le plan XY est inférieure ou égale à la section de la masse dans le plan.
Le ou les pieds ont une longueur au moins égale à sa dimension la plus large dans le plan XY, par exemple, son diamètre dans le cas d'un pied circulaire, ou bien le côté plus long dans le cas d'un pilier rectangulaire. De préférence, les pieds ont une longueur égale ou supérieure à dix fois la dimension la plus large dans le plan XY.
A titre d'exemple, la masse mobile a une surface comprise entre l pm x 1 pm et 500 pm x 500pm, et une épaisseur comprise entre 1 pm et 500 pm, et la surface de chaque pied peut être comprise entre 50 nm x 50 nm et à 100 pm x 100 pm. La longueur du ou des pieds est comprise entre 50 nm et 100 pm.
De préférence, la masse mobile est réalisée au moins en partie dans un matériau présentant une masse volumique élevée afin de maximiser la masse et donc l'effet des forces de Coriolis sur la masse mobile. Par exemple, on choisit du silicium qui a une masse volumique de 2300 kg/m3 ou bien du tantale, qui a une masse volumique de 16690 kg/m3.
De manière avantageuse, le ou les pieds sont réalisés en un matériau rigide, i.e. présentant un module d'Young élevé, de plus de 100 GPa. En outre, avantageusement il s'agit d'un matériau isotrope, par exemple cristallin, de sorte à offrir le même comportement dans la direction d'excitation et dans la direction de détection. Par exemple, on choisit du silicium, qui est un matériel cristallin avec un module d'Young de 130-188 GPa.
Le substrat, les pieds et la masse mobile peuvent être réalisés dans le même matériau ou des matériaux différents.
La masse peut présenter toute forme polyédrique ou non, et le ou les pieds peuvent présenter une section polygonale ou quelconque.
Dans les exemples des figures IA à 3A, le pied ou les pieds a ou ont une section constante le long de la direction Z. Selon un autre exemple, on peut envisager qu'il présente une section variable le long de la direction Z. En outre, l'axe de chaque pied peut ne pas être orthogonal au plan XY dans lequel est contenue la masse mobile, et former un angle avec celui, par exemple compris entre 60° et 90%
A titre d'exemple, la structure de gyromètre comporte un pied cylindrique à section circulaire et une masse mobile en forme de parallélépipède à base carrée, le pied se rattachant à une face du cube au point d'intersection de ses diagonales et l'axe du pied est orthogonal à ladite face. Le pied a un diamètre de 1 pm et une longueur de 2 pm. La masse a une section de 5 pm de côté dans le plan XY et une épaisseur de 3 pm le long de la direction Z. La structure a deux modes de résonance orthogonaux ayant pour fréquence de résonance 27,5 MHz.
Comme cela a été mentionné ci-dessus, un gyromètre selon l'invention peut comporter plusieurs pieds suspendant la masse mobile par rapport au substrat. Dans un exemple de réalisation représenté sur la figure 3B, le gyromètre comporte quatre premiers pieds 106 positionnés et/ou dimensionnés pour favoriser le déplacement selon la direction d'excitation, et un ou plusieurs deuxièmes pieds positionnés et/ou dimensionnés pour favoriser le déplacement de la masse mobile dans la direction de détection. Cette réalisation présente l'avantage d'assurer la stabilité mécanique de la structure quand les pieds sont très longs, ou lorsque la section de la masse est beaucoup plus large que celle du pied.
Nous allons maintenant décrire des moyens d'excitation de ladite masse, i.e. des moyens d'actionnement de la masse de sorte à la mettre en mouvement dans la direction d'excitation.
Sur la figure 4, on peut voir un exemple de réalisation dans lequel les moyens d'excitation 8 sont de type électrostatique. Ils comportent une électrode 12 portée par le substrat et disposée en regard d'une face latérale 4.2 de la masse mobile, la face latérale et l'électrode étant perpendiculaires à l'axe d'excitation, l'axe X dans le présent exemple.
Dans le cas où la masse est en un matériau conducteur électrique, la face latérale 4.2 forme également une électrode. En appliquant une différentielle de potentiel modulée à la fréquence de résonance, une force électrostatique modulée à la fréquence de résonance est générée dans la direction X, mettant en vibration la masse mobile à sa fréquence de résonance dans la direction X. Dans le cas où la masse mobile n'est pas en un matériau conducteur électrique, un dépôt conducteur est réalisé sur la face latérale pour former une électrode. Selon une variante avantageuse, l'électrode est mise en regard d'une face du pied, ainsi les moyens d'excitation n'augmentent pas l'encombrement dans le plan du gyromètre.
Dans un autre exemple de réalisation, les moyens d'excitation sont de type piézoélectrique, par exemple ils comportent un matériau piézoélectrique déposé sous forme de couche sur une face du pied orientée de sorte que, lorsqu'un courant modulé à la fréquence de résonance traverse la couche piézoélectrique, le pied et donc la masse sont mis en vibration dans la direction X.
Dans un autre exemple de réalisation, les moyens d'excitation sont de type thermique. Par exemple, ils comportent une poutre suspendue entre le substrat et le pied, qui s'étend dans la direction X. Lorsqu'un courant traverse la poutre, le matériau de la poutre s'échauffe et se dilate dans la direction X. En modulant le courant à la fréquence de résonance, la poutre se dilate et se contracte le long de la direction X provoquant un déplacement d'aller et retour du pied dans la direction X et une mise en vibration de la masse mobile. Dans cet exemple, la poutre est par exemple un nanofil, qui a un temps de réponse thermique beaucoup plus rapide que la fréquence du courant de modulation. En variante la poutre est en matériau piézoélectrique. En variante, la poutre est suspendue entre le substrat et une face latérale de la masse mobile, la poutre étant alignée avec la direction X. Dans un autre exemple, les moyens d'actionnement comportent plusieurs poutres orientées les unes par rapport aux autres de sorte que la force résultante appliquée au pied soit orientée selon la direction X.
En variante, on réalise l'excitation de la masse mobile au moyen des pieds, par exemple on réalise quatre pieds dont deux sont en matériau piézoélectrique, ou dont deux présentent une section réduite par rapport aux deux autres pieds et sont adaptés à un actionnement thermique.
Dans un autre exemple, le gyromètre est disposé sur un support qui peut être mis en vibration à la fréquence de résonance, par exemple à l'aide de moyens piézoélectriques, également appelés « shaker piézoélectrique ».
Nous allons maintenant décrire des exemples de moyens de détection du déplacement de la masse mobile dans la direction de détection sous l'effet des forces de Coriolis.
Sur la figure 5, on peut voir un exemple de gyromètre selon l'invention mettant en œuvre des moyens de détection 10 de type capacitif. Dans cet exemple, ils comportent une électrode 22 disposée à proximité de la masse de sorte que la distance entre la masse et l'électrode varie lorsque la masse se déplace dans la direction de détection Y. On suppose que la masse mobile est conductrice électrique et forme directement l'autre électrode. Sinon une couche conductrice électrique est réalisée pour former l'autre électrode. La masse mobile et l'électrode sont séparées par de l'air ou du vide formant un diélectrique, et forment un condensateur dont la capacité varie avec le déplacement de la masse mobile le long de la direction Y. L'électrode ou la masse est polarisée par exemple à 0 V. La vibration de la masse mobile du fait des forces de Coriolis dans la direction Y, provoque une variation de la capacité du condensateur, et crée un courant proportionnel à l'amplitude de vibration de la masse à travers de l'électrode. Les moyens de détection comportent des moyens pour mesurer ce courant, par exemple un amplificateur de transimpédance et un analyseur de spectres. A partir de ce courant, il est possible de remonter aux forces de Coriolis. Plusieurs électrodes peuvent être mises en œuvre, par exemple pour réaliser une mesure différentielle.
Dans un autre exemple de réalisation représenté sur la figure 6, les moyens de détection 110 sont de type piézorésistif. Par exemple les moyens de détection comportent une poutre 24 en matériau piézorésistif suspendue entre le substrat et le pied une tension constante est appliquée à la poutre 24, la compression et l'extension subies par la poutre provoquent une variation de la résistance électrique de la poutre. Le courant de sortie est alors proportionnel à la résistance de gauges, qui varie à la fréquence de vibration du résonateur. Plusieurs poutres piézorésistives peuvent être mises en œuvre, par exemple pour réaliser une mesure différentielle. Le pied peut servir à conduire le courant ou une piste conductrice est formée le long du pied.
La même poutre peut servir à l'actionnement dans une direction et à la détection dans cette direction, de préférence la poutre est parallèle à cette direction. Au moins une poutre est prévue pour l'excitation dans une direction et une poutre est prévue pour la détection dans une autre direction. Par exemple une poutre parallèle à la direction X sert à l'excitation et à la détection dans la direction X et une poutre sert à l'excitation et à la détection dans la direction Y. Ainsi avec deux poutres on réaliser un gyromètre deux axes.
Les poutres peuvent être en matériau piézorésistifs et/ou piézoélectriques.
Sur la figure 7, on peut voir un exemple avantageux d'un gyromètre selon l'invention vu de dessus.
Dans cet exemple les moyens de détection sont de type optomécanique.
Les moyens de détection 210 comportent un résonateur optique 14, dans cet exemple un anneau disposé par rapport à la masse mobile de sorte qu'elle se déplace dans le champ évanescent (symbolisé par le cercle en pointillés) de l'anneau, qui est typiquement de l'ordre de plusieurs centaines de nanomètres pour une lumière avec une longueur d'onde de 1550 nm. Dans cet exemple la masse est située à une distance comprise entre 50 nm et 200 nm du bord de l'anneau. Ils comportent également un guide d'onde 16 situé à proximité de l'anneau et destiné à injecté un signal lumineux d'entrée dans le résonateur et à récupérer un signal lumineux de sortie. Une source 18 génère le signal lumineux dans le guide d'onde, par exemple à une extrémité du guide d'onde et un détecteur 19, par exemple à l'autre extrémité du guide d'onde, collecte le signal lumineux sortant de l'anneau.
La masse qui est mise en mouvement le long de la direction X, sous l'effet des forces de Coriolis, est déplacée selon la direction Y dans le champ évanescent de l'anneau, ce qui a pour effet de modifier les propriétés optiques du résonateur optique, et notamment sa fréquence de résonance optique, il en résulte une modulation de l'intensité de la lumière proportionnelle au mouvement de la masse mobile. Par exemple, le détecteur utilise des techniques spectrométriques, il est possible de détecter cette modulation d'intensité du signal lumineux de sortie. A partir de ces mesures, il est possible de remonter aux forces de Coriolis.
En variante, un guide d'onde pour le signal lumineux d'entrée et un guide d'onde pour collecter le signal lumineux de sortie sont mis en œuvre.
Dans un autre exemple, le résonateur optique est situé sous la masse et à proximité du support, et c'est le mouvement du support qui modifie la fréquence de résonance optique.
Dans un autre exemple, un résonateur optique est mis en œuvre pour détecter les déplacements selon Y de plusieurs résonateurs mécaniques, par exemple les masses mobiles sont disposées autour de l'anneau dans le champ évanescent de celui-ci. Dans ce cas, des techniques de multiplexage, par exemple multiplexage de temps ou bien multiplexage de fréquence de résonance, sont mises en place pour distinguer le déplacement de chaque masse mobile.
En variante, l'anneau est remplacé par un disque optique
Dans un autre exemple de détection optique, le mouvement du résonateur est mesuré avec des techniques d'interférométrie. Dans ce cas, une source de lumière laser est séparée en deux chemins différents, un des chemins contenant le résonateur optique et le MEMS résonant et l'autre agissant comme chemin de référence. Quand le MEMS fait varier la fréquence de résonance optique, il module aussi la phase de la lumière en sortie du résonateur. Quand on combine la lumière en sortie du résonateur avec le chemin de référence, l'interférence entre les deux signaux provoque une modulation de l'intensité de la lumière de sortie proportionnelle au mouvement du MEMS.
La mise en œuvre de moyens de détection optomécanique permet d'améliorer les performances du gyromètre par rapport à des moyens de détection électrique. En effet ils permettent d'atteindre une bande passante plus élevée que celle atteignable par des moyens de détection électrique.
Il sera compris que les différents exemples de moyens d'excitation et les différents exemples de moyens de détection peuvent être combinés selon les besoins. Par exemple, le gyromètre peut mettre en œuvre des moyens d'excitation piézoélectriques et des moyens de détection optomécaniques ou des moyens d'excitation piézoélectriques et des moyens de détection piézorésistifs.
En variante les moyens d'excitation et sont situés sous la masse et agissent directement sur la masse /ou les moyens de détection sont situés sous la masse et mesurent directement les vibrations de la masse. Cette disposition offre également une grande compacité.
On peut également mesurer le déplacement de la masse mobile dans la direction d'excitation, ainsi on peut vérifier si le mode d'excitation et le mode de détection sont à la même fréquence, et on peut également mesurer l'amplitude de mouvement du mode d'excitation.
De manière très avantageuse, l'invention comporte des moyens de réglage de la fréquence de l'un et/ou des deux modes.
Par exemple, dans le cas d'un gyromètre présentant deux modes en résonance, les moyens de réglage comportent des mécanismes pour régler la fréquence de résonance d'au moins un des deux modes.
Dans un exemple de réalisation représenté sur la figure 8, les moyens de réglage 26 sont de type électrostatique, ils comportent une électrode 28 située sur le substrat en regard d'un bord de la masse mobile 4 et de sorte que la force électrostatique produite soit alignée avec le mode dont on veut ajuster la fréquence de résonance. En appliquant une tension continue entre l'électrode et la masse mobile, une force électrostatique attire la masse mobile vers l'électrode, ce qui déforme le pied et provoque une modification de la fréquence de résonance du mode qui est aligné avec elle. En variante, l'électrode est directement en regard du pied pour le déformer. La déformation est appliquée au moins pendant toute la durée de la mesure.
Dans un autre exemple de réalisation, les moyens de réglage comportent une poutre conductrice électrique suspendue entre le pied et une surface fixe et alignée avec la direction du mode dont la fréquence est à régler. Le passage d'un courant dans la poutre provoque son échauffement qui se dilate et applique une force contre le pied, qui déforme le pied. Il en résulte une fréquence de résonance du mode aligné avec la poutre.
Dans un autre exemple d'implémentation, le pied est déformé au moyen d'une poutre en matériau piézoélectrique.
Dans un autre exemple, les moyens de réglage permettent de régler les fréquences des deux modes.
Ces moyens de réglage permettent de régler au moins la fréquence de l'un des modes de sorte à avoir des fréquences de résonance égales. En effet, du fait des imperfections/imprécisions lors de la fabrication du dispositif, les fréquences de résonance des deux modes peuvent être différentes. Grâce à ces moyens, il est possible de pallier ces imperfections/imprécisions et de régler l'une des deux fréquences après fabrication pour qu'elle soit proche ou égale de l'autre fréquence.
De manière avantageuse, on applique un signal qui combine le réglage et l'excitation. Le signal comporte une composante continue assurant le réglage et une composante variable assurant l'excitation.
Grâce à l'invention, il est possible de réduire la surface de la masse mobile pour réduire l'encombrement dans le plan du gyromètre sans détériorer ses performances. En outre, en mettant en œuvre de moyens d'excitation et de détection au niveau du ou des pieds, l'encombrement du capteur dans le plan est limité à celui de la masse. Il est à noter que grâce à l'invention, le gyromètre de la figure 4 mettant en œuvre un résonateur optique disposé sur un côté de la masse mobile, à performances équivalentes présente un encombrement dans le plan au plus égal à un gyromètre de l'état de la technique de la figure 10.
Dans un exemple d'implémentation, le gyromètre travaille dans un mode de résonance « torsion », dans lequel la masse sismique est excitée de sorte à tourner dans le plan X-Y, avec un mouvement circulaire centré sur le centre de masse de la masse sismique, par exemple, le centre du cercle pour une masse sismique circulaire, le centre du carré pour une masse sismique carrée. Dans cet exemple d'implémentation, lorsque le gyromètre est soumis à une accélération angulaire, la masse subit une force dans la direction Z et s'incline par rapport à la direction Z. Comme dans les modes de fonctionnement en déplacement dans les directions X ou Y, toute la déformation de la structure est subie par le ou les pieds, et la masse sismique ne subit pas de déformation. De manière avantageuse, la structure en mode torsion a un seul pied situé sous le centre de la masse de la structure, de sorte que la structure soit très souple en torsion. Dans ce cas, lors de l'excitation le pied subit une déformation en pure torsion autour de l'axe Z, sans aucun déplacement dans les directions X et Y. Dans cet exemple d'implémentation, l'excitation en mode torsion peut être obtenue par des moyens électrostatiques comportant des peignes électrostatiques interdigités, au moins un peigne étant fixé au pied ou à la masse et au moins un peigne est fixé au support. Lors de l'apparition d'une accélération angulaire, le mouvement de la masse peut être déduit soit à travers le mouvement du pied, qui est déformé en flexion du fait du déplacement hors-plan de la masse seulement dans le cas de l'apparition d'une accélération angulaire. La déformation en flexion est par exemple détectée par une détection du mouvement de la masse dans la direction Z par exemple, avec une détection électrostatique ou bien optomécanique, l'élément sensible étant situé sous la masse. En variante, les moyens de détection détectent la flexion du pied. Sur les figures 11A et 11B, on peut voir schématisé un exemple de gyroscope travaillant dans un mode de résonance « torsion ». Sur la figure 11A, la masse 204 est excitée en rotation autour de l'axe Z par les moyens d'excitation 208, avantageusement situés sous la masse et par exemple agissant directement sur la masse, aucune accélération angulaire ne lui est appliquée. Le pied 206 est déformé en torsion. Sur la figure 11B, suite à la survenance d'une accélération angulaire, la masse vibre dans la direction Z, le pied 206 est déformé en flexion, et les vibrations sont détectées par les moyens de détection 210 avantageusement situés sous la masse et par exemple, mesurent directement le déplacement de la masse par mesure d'une variation de capacité.
Un exemple de procédé de réalisation d'un gyromètre selon l'invention va maintenant être décrit.
A partir d'un substrat 400, par exemple en matériau semi-conducteur, tel que le silicium (figure 9A), on forme une couche sacrificielle, par exemple en Si02, par exemple par dépôt, par exemple, dépôt chimique en phase vapeur, ou bien par oxydation (figure 9B).
Lors d'une étape suivante, on structure la couche sacrificielle 402 pour former le pied, pour cela on réalise une cavité 404 débouchant sur le substrat 400, par exemple par photolithographie et gravure.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 9C.
Lors d'une étape suivante, on forme dans la cavité et sur la couche sacrificielle 402 une couche de matériau semi-conducteur 406, par exemple du silicium amorphe. La couche 406 est par exemple formée par dépôt, par exemple par un dépôt chimique en phase vapeur. L'épaisseur de la couche 406 sur la couche sacrificielle 402 est avantageusement celle de la masse mobile que l'on souhaite réaliser.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 9D.
Lors d'une étape suivante, la couche 406 est structurée pour délimiter la masse mobile. Des tranchées débouchant sur la couche sacrificielle 402 sont formées délimitant le bord extérieur de la masse mobile. Cette structuration est par exemple réalisée par photolithographie et gravure, par exemple une gravure ionique réactive ou bien une gravure de KOH en phase liquide.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 9E. Lors d'une étape suivante, la masse mobile et son pied sont libérés en gravant la couche sacrificielle 402, par exemple par gravure humide par exemple avec de l'acide fluorhydrique.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 9F et 9G (vue de dessus). On peut voir que simultanément le substrat a été structuré pour réaliser des électrodes en regard du bord de la masse mobile alignées avec la direction X, par exemple pour former des moyens de réglage de la fréquence de résonance du mode d'excitation et/ou des moyens d'excitation.
Dans un autre exemple de réalisation, la couche 406 en silicium amorphe est rendue conductrice, par exemple par dopage et traitement thermique, par exemple pour utiliser la masse dans la détection du déplacement.
Dans un autre exemple de réalisation, une couche supplémentaire est formée sur la couche 406, par exemple en un matériau présentant une masse volumique élevée par exemple du tungstène, pour augmenter la masse de la masse mobile et ainsi améliorer la performance du gyromètre.

Claims

REVENDICATIONS
1. Gyromètre micromécanique résonant comportant un support (2) et une masse mobile (4) apte à vibrer par rapport au support (2), des moyens d'excitation (8) de ladite masse mobile (4) dans une première direction (X) contenue dans un plan du gyromètre et des moyens de détection (10, 110, 210) des vibrations de ladite masse mobile (4) dans une deuxième direction (Y) contenue dans le plan du gyromètre et orthogonale à la première direction( X) et/ou des moyens d'excitation de ladite masse mobile (4) autour d'une troisième direction (Z) orthogonale au plan du gyromètre, et des moyens de détection (10, 110, 210) des vibrations hors-plan de ladite masse mobile (4) , le gyromètre comportant au moins un pied (6) ancré sur le support (2) par une première extrémité et fixé à la masse mobile (4) par une deuxième extrémité, et permettant à la masse mobile (4) de vibrer dans le plan du gyromètre le long des première(X) et deuxième (Y) directions et/ou de vibrer dans la troisième direction (Z), les moyens d'excitation et/ou les moyens de détection étant situés au moins en partie sous la masse (4).
2. Gyromètre selon la revendication 1, dans lequel le au moins un pied (6) présente une section dans le plan du gyromètre inférieure à la surface de la masse mobile (4) dans le plan du gyromètre.
3. Gyromètre selon la revendication 2, dans lequel la section du pied (6) dans le plan du gyromètre est de l'ordre de l/100ème de la surface de la masse mobile (4) dans le plan du gyromètre.
4. Gyromètre selon la revendication 1, 2 et 3, dans lequel le pied présente une dimension dans une direction orthogonale au plan du gyromètre au moins égale à sa plus grande dimension dans le plan du gyromètre, avantageusement supérieure à 10 fois à sa plus grande dimension dans le plan du gyromètre.
5. Gyromètre selon l'une des revendications 1 à 4, comportant plusieurs pieds ancrés sur le support par une première extrémité et fixés à la masse mobile par une deuxième extrémité, et dans lequel la somme des sections des pieds dans le plan du gyromètre est inférieure à la surface de la masse mobile dans le plan du gyromètre.
6. Gyromètre selon l'une des revendications 1 à 5, comportant un premier mode résonant à une première fréquence de résonance le long de la première direction (X) et un deuxième mode résonant à une deuxième fréquence de résonance selon la deuxième direction (Y), la première fréquence de résonance étant contenue dans la bande de fréquence du deuxième mode résonant et la deuxième fréquence de résonance étant contenue dans la bande de fréquence du premier mode résonant.
7. Gyromètre selon la revendication 6, dans lequel les première et deuxième fréquences de résonance sont proches ou égales.
8. Gyromètre selon la revendication 6 ou 7, dans lequel la masse mobile (4) et le pied (6) comportent au moins deux axes de symétries orthogonaux dans le plan du gyromètre, l'un des axes de symétrie étant aligné avec la première direction (X), et l'autre axe de symétrie étant aligné avec le deuxième axe (Y).
9. Gyromètre selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens d'excitation (8) comportent au moins une électrode (12) portée par le support (2) et une électrode portée ou formée par le pied (6) ou la masse mobile (4), de sorte à appliquer une force électrostatique au pied (6) ou à la masse mobile (4) dans la première direction (X).
10. Gyromètre selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel les moyens d'excitation comportent au moins une poutre en matériau piézoélectrique suspendue entre le support et le pied, orientée de sorte à appliquer une force mécanique au pied dans la première direction (X).
11. Gyromètre selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de détection (210) comportent un résonateur optique (14) disposé par rapport à la masse mobile (4) de sorte que la masse mobile (4) se trouve au moins en partie dans le champ évanescent du résonateur optique (14) au moins dans la deuxième direction (Y), des moyens pour injecter un signal lumineux dans le résonateur et des moyens pour collecter un signal lumineux sortant du résonateur optique.
12. Gyromètre selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la masse mobile (4) comporte au moins un matériau présentant une masse volumique élevée, et le pied est en un matériau rigide présentant un module d'Young inférieure à 100 GPa.
13. Gyromètre selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel les moyens d'excitation et les moyens de détection sont situés au niveau du pied de sorte que la surface occupée par gyromètre soit égale à la surface de la masse mobile.
14. Gyromètre selon l'une des revendications 6, 7 et 8, comportant des moyens de réglage (26) d'au moins la fréquence de l'un des modes, lesdits moyens de réglage étant configurés pour appliquer une déformation mécanique au pied au moins pendant une mesure.
15. Gyromètre selon la revendication 14, dans lequel les moyens de réglage (26) comportent au moins une électrode (28) portée par le support (2) et une électrode portée ou formée par le pied (6) ou la masse mobile (4), de sorte à appliquer une force électrostatique au pied (6) ou à la masse mobile (4) dans la première (Y) ou la deuxième (X) direction.
16. Méthode de mesure mettant en œuvre un gyromètre selon l'une des revendications précédentes, comportant :
- la mise en mouvement de la masse mobile dans la première direction
(X),
- la mesure de la vibration de la masse mobile dans la deuxième direction résultant des forces de Coriolis.
17. Méthode de mesure selon la revendication 16 mettant en œuvre un gyromètre selon la revendication 16, comportant une étape de réglage de la fréquence d'au moins l'un des modes avant l'étape a).
18. Méthode de mesure selon la revendication 17, dans laquelle l'étape de réglage comporte la déformation mécanique du pied pendant toute la durée de la mesure.
19. Méthode de mesure selon la revendication 17 ou 18, dans laquelle à la fin de l'étape de réglage les deux modes ont la même fréquence de résonance.
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