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Iännis Roland
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Onera - The French Aerospace Lab, DMPH, 29 avenue de la Division Leclerc, 92322 Châtillon
Sujet de la recherche : Conception et réalisation d’un micro gyromètre triaxe a structure plane.
Noms et coordonnées des porteurs de projet :
I. Roland1, S. Masson1, O. Le Traon1, A. Bosseboeuf2
1
Onera - The French Aerospace Lab, DMPH, 29 avenue de la Division Leclerc, 92322 Châtillon
2
Institut d'Electronique Fondamentale, UMR 8622, Université Paris Sud, Bât.220, 91405 Orsay
Résumé des travaux et principaux résultats obtenus :
L’objectif de la thèse est de concevoir et de réaliser un micro-gyromètre vibrant à effet
Coriolis (Coriolis Vibrating Gyro – CVG) capable de mesurer simultanément les 3 composantes de
la vitesse de rotation d’un mobile. Ce type de gyromètre, qui exploite les accélérations de Coriolis
appliquées à une structure vibrante monolithique, est particulièrement propice à la miniaturisation.
Les CVG sont généralement monoaxes et exploitent 2 modes de vibration : un mode dit
"pilote" est excité en permanence à sa résonance, et quand la structure est soumise à une vitesse de
rotation, l’effet Coriolis excite un second mode, dit mode "détection", qui est orthogonal à la fois au
mode "pilote" et à l’axe de rotation. La mesure de l’amplitude du mode "détection" permet alors de
déterminer la vitesse de rotation appliquée au mobile. Le gyromètre développé étant tri-axe, il est
nécessaire d’utiliser 3 modes "détection". De plus, pour simplifier l'excitation ces 3 modes
"détection" sont couplés au même mode "pilote".
La conception du capteur a commencé par une étude analytique de son fonctionnement
mécanique. Cette étude a permis d’exprimer la sensibilité d’un CVG en fonction de l’amplitude du
mode "pilote", de l’écart de fréquence entre les modes et de l'efficacité du couplage entre le mode
"pilote" et le "détection" par l’effet Coriolis. Le coefficient de couplage Coriolis dépend
uniquement de la géométrie des modes, il a donc été utilisé pour définir la géométrie de la structure
vibrante. Des simulations par éléments finis ont ensuite permis de dimensionner la structure. La
structure développée est basée sur les modes de vibration d’un cadre déformable de 8 mm coté et de
450 µm d’épaisseur. Le gyromètre présente non seulement 3 coefficients de couplage Coriolis
importants mais aussi des fréquences proches et des facteurs de qualité importants pour chaque
mode. La dernière étape de conception a été le choix du matériau qui s’est porté sur le GaAs pour
son caractère piézoélectrique, utile à l’excitation et la détection, ainsi que pour le potentiel de
miniaturisation des techniques de micro-fabrication qui lui sont associées. Des électrodes pour
l’excitation et la détection des différents modes ont ensuite été définies.
Trois études préliminaires à la réalisation ont été menées en parallèle :
• Une structure vibrante de gyromètre tri-axe en silicium a été réalisée et le comportement
mécanique de ses modes de vibrations sera caractérisé au profilomètre optique.
• La gravure chimique du GaAs a été étudiée et la caractérisation de son anisotropie de
gravure a montré qu’elle était incompatible avec la réalisation du gyromètre tri-axe.
Cependant un résonateur en GaAs en forme de diapason a été réalisé par gravure chimique
et a permis de caractériser le comportement piézoélectrique et thermique du GaAs.
• La gravure plasma du GaAs a également été étudiée. Cette technique, habituellement
employée pour les faibles épaisseurs, a été développée jusqu'à des profondeurs de gravure
très intéressante de l'ordre de 450µm. Cette technique, qui permet d’obtenir une très bonne
verticalité des flancs, a été retenue pour la réalisation d’un protoype de gyromètre tri-axe.
Perspectives envisagées :
Une structure de gyromètre tri-axe en GaAs sera prochainement réalisée et ses performances
gyromètriques seront évaluées. A la suite de cette thèse, une électronique de détection et un procédé
d’encapsulation spécifique seront développés afin de former un gyromètre tri-axe complet, dont le
volume et les performances seront compatibles avec les besoins des microdrones.