Brevet FR2564967A1 — publié le 19851129

La présente invention concerne un détecteur de cap et en particulier un tel détecteur comprenant les dispositifs à effet Hall. Dans un mode de réalisation, l'invention concerne un détecteur de cap qui se caractérise par un magnétomètre à effet Hall selon trois axes (11, 12, 13; 20, 21, 22) combinés à un accéléromètre suivant trois axes (15 23, 24, 25). L'invention concerne aussi un détecteur de cap qui a une structure (10) en forme de cube constituée d'un matériau non magnétique, sur chacune des trois faces orthogonales est disposé un dispositif respectif à effet Hall (11, 12, 13; 20, 21, 22), le cube (10) et les dispositifs à effet Hall (11, 12, 13; 20, 21, 22) constituant un magnétomètre à trois axes, et par un accéléromètre à trois axes (15; 23, 24, 25), chacun des trois axes des magnétomètres étant aligné sur un axe respectif des trois axes de l'accéléromètre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invçntion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation de détecteur de cap comprenant un magnétomètre à effet Hall à trois axes et un accéléromètre à trois axes; la figure 2 représente un dispositif à effet Hall à un seul axe; la figure 3 représente schématiquement un magnétometre à effet Hall à trois axes; la figure 4 représente schématiquement une variante de détecteur de cap; les figures 5 et 6 sont une vue en plan et de dessous d'un mode de réalisation d'accéléromètre au silicium; la figure 7 est une élévation latérale d'un ensemble comorenant un accéléromètre au silicium et des butées d'extrémités; la figure 8 représente un ensemble accéléromètre à trois axes qui peut être utilisé dans le mode de réali- sation de cap de la figure 1; et la figure 9 est un diagramme synoptique d'un appareil destiné à la détermination d'un cap. Le dispositif à effet Hall à un seul axe repré- senté sur la -figure 2 comporte un substrat 1 d'alumine, un premier concentrateur de flux ou concentrateur infé- rieur 2 constitué d'un verre chargé d'un métal et formant un mince ruban, ayant une partie d'extrémité qui se rétrécit, un second concentrateur ou concentrateur supé- rieur 3 lui-aussi formé de verre contenant un métal et sous forme d'un mince ruban, ayant une partie d'extré- mité qui se rétrécit, et une paillette à effet Hall de GaAs (qui n'est pas visible sur le dessin), disposée entre les parties 4 en recouvrement des extrémités des concentrateurs 2 et 3. Ces derniers peuvent être fixés sur le substrat d'alumine de manière que leurs parties qui se rétrécissent se recouvrent, le circuit paillette 4 étant placé entre elles. Ce circuit peut être fixé a l'un des concentrateurs ou aux deux mais il ne leur est pas relié électriquement. Le circuit paillette à effet Hall a quatre électrodes qui peuvent être couplées par liaison de fils (non représentée) à des voies conductrices 5, sous forme de conducteurs en couche épaisse formée par sérigraphie sur le substrat 1. Une plage 5a de contact est associée à chaque voie conductrice 5 et est disposée sur le substrat afin qu'elle permette une connexion externe du dispositif à effet Hall. Le circuit paillette à effet Hall a deux électrodes pour l'entrée du courant et deux électrodes pour la sortie de la tension de Hall, le signal de sortie étant disponible lors de l'utilisation en presence d'un champ magnétique transversal, c'est-à-dire orienté suivant la longueur des concentrateurs de flux, le rétrécissement des concentrateurs assurant la canalisa- tion du flux magnétique dans le circuit paillette placé entre les extrémités rétrécies des concentrateurs. Les liaisons formant la connexion des fils au circuit paillette et aux voies sont protégées par un reveuemunt d'enrobage, par exemple une résine 6 de silicone. Par lemontagedetrois dispositifs à effet Hall à un seul axe tel que les dispositifs de la figure 2, les uns par rapport aux autres de manière qu'ils soient sensibles au flux magnétique dans trois directions, c'est-àdire lorsque les concentrateurs sont dirigés dans trois directions qui sont perpendiculaires mutuel- lement, un magnétomètre à trois axes peut être réalisé. La figure 3 représente un mode de réalisation de magnéto- mètre à trois axes qui comporte un cube 7 de matériau non magnétique, par exemple d'aluminium, ayant des faces orthogonales 8 usinées avec précision, et, sur chacune de trois des faces 8, un dispositif respectif 9 à effet Hall à un seul axe est disposé afin qu'il soit sensible au flux magnétique dans une direction, c'est-à-dire que les concentrateurs de flux des dispositifs à effet Hall du type représenté sur la figure 2 sont alignés sur trois axes perpendiculaires mutuellement comme indiqué par les flèches. La direction relative du champ magnétique peut être calculée d'après les signaux de sortie des dispositifs à effet Hall du magnétomètre à trois axe. Lorsque l'ensemble doit constituer un détecteur de cap, c'est le champ magnétique terrestre dont la direction est nécessaire et pour qu'une direction calculée soit significative comme cap, il faut que l'orientation du cube par rapport à la surface terrestre soit connue et prise en considération pour le calcul de la direction du champ. Un accéléromètre à trois axes peut être utilisé pour la détermination de l'altitude d'un corps par rapport au champ terrestre de gravité. En conséquence, lors de la réalisation d'un détecteur de cap, un magnétomètre à trois axes peut etre combiné à un accéléromètre à trois axes, ce dernier étant utilisé pour la détection de la direction du champ de pesanteur terrestre. La figure 1 représente schématiquement un détecteur de cap qui comporte un magnétomètre à effet Hall à trois axes comprenant un cube 10 d'aluminium ou d'un autre matériau non magnétique sur trois faces différentes duquel sont montés trois dispositifs 11, 12 et 13 à effet Hall à un seul axe, disposés perpendiculairement les uns aux autres et formant un magnétomètre. Le cube 10 a une cavité 14 débouchant sur une autre face. A l'intérieur de la cavité 14 est disposé un ensemble 15 formant un accéléromètre à trois axes monté de manière que ses axes de mesure soient les mêmes que les axes du magnétomètre. L'ensemble de l'accéléro- mètre peut être constitué par exemple par un module piézorésistif à trois axes "ENTRAN" ayant une dimension de bord de 1,27 cm et ayant une sensibilité de + 5 g dans les trois directions. Dans une variante, l'accéléromètre peut être constitué d'un élément cubique ayant trois accéléromètres formés dans du silicium, par attaque chimique, comme décrit dans la suite. La figure 4 représente schématiquement un détecteur de cap qui comporte un cube 16 d'aluminium ou d'un autre matériau non magnétique sur trois faces différentes 17, 18 et 19 duquel sont montés trois dispo- sitifs perpendiculaires à effet Hall à un seul axe 20, 21 et 22 formant un magnétomètre, un accéléromètre plan mince 23, 24 et 25 au silicium correspondant étant monté sur chacune des trois faces 17, 18 et 19. Un exemple d'accélé- romètre convenable formé dans le silicium par attaque chimique est représenté sur la figure 5 (en plan) et sur la figure 6 (en vue de dessous). Il est formé par attaque chimique anisotrope sélective dans un corps stratifié 26 de silicium monocristallin à l'aide par exemple d'une solution d'attaque contenant du catéchol, de l'éthylènediamine et de l'eau, ou de l'hydroxyde de potassium et de l'isopropanol, après disposition de caches convenables. Le corps 26 est attaqué afin qu'il laisse une masse sismique 27 couplée à un cadre 28 par de minces lames.9 et 30 et par de minces poutres 31 et 32. Le corps 26 est détaché totalement dans quatre régions 33 qui séparent les poutres 31 et 32 des bras 29 et 30. Le corps est aussi totalement attaqué dans le cadre 28 et au voisinage des poutres 31 et 32 afin que deux fentes 34 et 35 soient formées et constituent des charnières 36 et 37 montées aux extrémités des poutres et les retenant avec souplesse. Une ouverture 38 peut etre formée afin qu'elle traverse totalement la masse sismique 27 lorsque cela est necessaire pour le réglage de la masse et ainsi de la sensibilité de la masse sis- mique. Une jauge dynamometrique respective 39, 40 est placée à la face supérieure du corps à l'extrémité de chaque poutre 31, 32 près de laquelle les poutres sont raccordées à la masse 27, afin que les signaux de sortie des jauges constituent une mesure du déplacement de la masse sismique sous l'action des forces de pesanteur. De tels accéléromètres peuvent être formés dans des corps de silicium monocristallin ayant une forme carrée de 1,27 cm de côté et une épaisseur de 0,043 cm. La masse sismique du corps 26 peut être placée entre deux plaques d'extrémités 41 et 42 de silicium formant des butées, fixées aux faces opposées du circuit paillette 41 d'accélerateur tel que représenté sur la figure 7 -25 afin que sa plage de travail soit limitée et que le déplacement de la masse sismique soit restreint, le circuit paillette 43 pouvant aussi être enrobé et formant un ensemble 44 constituant un acceléromètre. Des voies ccnductrices (non représentées sur ia figure 5) sont formées à la surface du corps 26 afin que du courant soit transmis aux jauges de contraintes et que le signal de s;ortic des jauges soit disponible. Ces voies conduc- trices rejoignent des plages de contacts telles que 45 formées a la face externe de l'ensemble constituant ]'accélérometre. Trois ensembles 44 a un seul axe, attaqué chimiquement dans du silicium et tels que décrits sur la figure 7, sont montés sur des faces mutuellement perpendiculaires d'un cube non magnétique 46 afin que l'ensemble constitue un accéléromètre à trois axes. La figure 8 représente un tel accéléromètre à trois axes, seuls deux ensembles 44 étant cependant visibles. Les plages respectives de contacts des trois ensembles 44 peuvent être reliées à des plages de contacts d'une partie 47 du cube 46 par des fils 48 de connexion afin que la liaison de l'accélérometre à un magnétomètre à trois axes dans lequel il est monté soit facilitée. Lorsque le cube 49 est formé de verre, les ensembles 44 de silicium peuvent être fixés sur celui-ci par le procédé de fixation "Mallory". Les accéléromètres et les dispositifs à effet Hall peuvent être excités par un courant constant et montés en série, si bien que le montage est facilité. Les six signaux de sortie (trois des accéléromètres et trois des magnétomètres à effet Hall) sont traités afin qu'ils donnent la direction du champ magnétique terrestre par rapport au champ de la pesanteur terrestre. La figure 9 représente un exemple de diamètre synoptique du circuit destiné a de tels dispositifs. Trois dispositifs 50 à effet Hall sont montés en série avec trois accéléromètres 51 et avec une source 52 de courant constant. Ainsi, une seule source de courant est utilisée pour l'excitation de tous les capteurs de l'arrangement. Les signaux de sortie des capteurs 50 et 51 sont mis sous forme numérique soit par des conver- tisseurs séparés analogiques-numériques 53 comme représenté soit par multiplexage sur un seul convertisseur analogique- numérique. Les signaux numériques de sortie peuvent être traités par un microprocesseur qui leur est affecté ou par un microordinateur 54. Les algorithmes nécessaires au traitement des données sont essentiellement constitués de transformations géométriques tridimensionnelles. Bien qu'on ait décrit les accéléromètres dans un mode de réalisation formé de silicium mis en forme par attaque chimique, - l'invention n'est pas limitée à de tels accéléromètres et d'autres matériaux semi- conducteurs peuvent être utilisés, par exemple l'arséniure de gallium. Bien qu'on ait décrit des dispositifs à effet Hall formes de GaAs, des dispositifs formés de silicium peuvent aussi être utilisés. Les détecteurs de cap selon l'invention présentent l'avantage essentiel d'avoir une petite dimen- sion tout en donnant une grande précision sur la mesure 0 du cap. REVENDICATIONS 1. Détecteur de cap, caractérisé par un magnéto- mètre à effet Hall à trois axes (11, 12, 13; 20, 21, 22) combiné à un accéléromètre à trois axes (15; 23, "ô. 2. Détecteur de cap, caractérisé en ce qu'il comporte une structure (10) en forme de cube constituée d'un matériau-non magnétique, sur trois faces orthogonales duquel sont placés des dispositifs respectifs à effet Hall (11, 12, 13; 20, 21, 22, le cube (10) et les dispositifs à effet Hall (11, 12, 13; 20, 21, 22) consti- tuant un magnétomètre à trois axes, et un accéléromètre à trois axes (15; 23, 24, 25), chacun des trois axes du magnétomètre étant aligné sur un axe respectif des trois axes de l'accéléromètre. 3. Détecteur de cap selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'accéléromètre à trois axes comprend un module (15) a trois axes monté dans une cavité de la structure en forme de cube (10). 4. Détecteur de cap selon la revendication 3, caractérisé en ce que le module à trois axes (15) comprend une structure supplémentaire (46) en forme de cube sur chacune de trois faces orthogonales duquel est monté un accéléromètre respectif (44) formé d'un semi-conducteur attaqué chimiquement. 5. Détecteur de cap selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'accéléromètre à trois axes est formé de trois accéléromètres séparés {23, 24, 25) formés par un semi-conducteur attaqué chimiquement, chaque accéléromètre étant placé sur l'une de trois faces orthogonales (17, 18, 19) de la structure en forme de cube. 6. Détecteur de cap selon l'une des revendica- tions 4 et 5, caractérisé en ce que les acceléromètres sont des accéléromètres plans formés par du silicium attaqué chimiquement. 7. Détecteur selon l'une quelconque des revendi- cations 2 à 6, caractérisé en ce que les dispositifs à effet Hall sont formés d'arséniure de gallium et ont des concentrateurs de flux magnétique. 8. Détecteur de cap selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que la struc- ture en forme de cube (10) est constituée d'aluminium. 9. Détecteur de cap selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'accéliromètre à trois axes est constitué par une structure piézorésistive d'accéléro- metre (15).