Brevet FR2772469A1 — publié le 19990618

GYROSCOPE VIBRANT Domaine technique La présente invention concerne un gyroscope vibrant. Elle concerne en particulier un gyroscope micro-usiné sur silicium. Les industries intéressées par le guidage ou le contrôle de la trajectoire de mobiles sont aujourd'hui demandeuses de dispositifs miniaturisés permettant de situer, d'agir ou de faire l'historique du mouvement de l'objet. Parmi les domaines concernés on peut citer la navigation aérienne, l'automobile, le contrôle d'appareils de mesure ou de prise de vue. A cette fin, plusieurs générations d'accéléromètres linéaires ont été développés dans le cadre des microtechnologies au cours des dernières décennies. La demande s'oriente aujourd'hui en direction de micro-gyroscopes permettant de mesurer des déplacements angulaires. Un historique complet de la trajectoire du mobile est dès lors envisageable. Pour les applications envisagées, les industries aérospatiales sont en général très exigeantes quant à la précision de l'information, alors qu'à l'inverse, dans un domaine comme l'automobile, le niveau des performances électromécaniques peut être beaucoup moins décisif que le prix de revient du dispositif lors du choix d'un produit. Dans cette optique, les microtechnologies sont privilégiées car elles permettent d'envisager la production de gyroscopes précis et de gyroscopes bon marché, voir les deux à la fois. En effet, la production de masse favorise la diminution des coûts, alors que les propriétés mécaniques des matériaux de base de la micro-électronique, en particulier celles du silicium, sont particulièrement propices à la fabrication de capteurs performants. Etat de la technique Les gyroscopes mécaniques compatibles avec les microtechnologies peuvent être regroupés en trois catégories : les oscillateurs simples, les oscillateurs multiples (doubles, triples ou plus) ou diapasons et les résonateurs à coque ou à effet Bryan. Les oscillateurs multiples, comme par exemple les diapasons, présentent, par rapport aux deux autres catégories, une meilleure insensibilité aux accélérations linéaires que peut subir la structure mais leur résolution est souvent limitée. Les résonateurs à coque tirent parti de l'établissement d'ondes stationnaires le long d'une structure fermée présentant une symétrie de révolution. Le document EP-A-O 619 471 divulgue un appareil de ce type. En pratique, l'onde stationnaire, générée sur le pourtour de la coque, est la résultante d'une double excitation d'un anneau suivant le mode d'ordre 2, de type "cos 20". La force de Coriolis, due à la vitesse de rotation à mesurer, modifie la position de l'onde stationnaire. Ce déplacement peut être détecté. Ces appareils sont caractérisés par la déformation et non le déplacement de la masse formée par la coque. Les oscillateurs simples regroupent toutes les structures caractérisées par un déplacement de la masse vibrant en résonance ou non. La masse, qui ne se déforme pas, mise en vibration en général à sa pulsation propre, est soumise à une force de Coriolis sous l'action de la rotation extérieure, ce qui peut être détecté. En microtechnologies, il est plus simple de réaliser les mouvements linéaires qui ont été privilégiés. En l'absence de rotation, la masse se déplace suivant un axe constant. La détection est effectuée dans le même plan, qui peut ne pas être celui du substrat. Exposé de l'invention Le gyroscope selon l'invention appartient à la catégorie des oscillateurs simples puisqu'il possède une masse vibrante. Il peut être défini par analogie avec le pendule de Foucault mais adapté à une structure planar. Le gyroscope selon l'invention repose en effet sur un mouvement axial de la masse vibrante. L'axe de ce mouvement est amené à tourner dans le plan perpendiculaire au vecteur rotation à mesurer, sous l'effet de la force de Coriolis. Le mouvement de cet axe est donc une précession. La vitesse de rotation de l'axe d'oscillation de la masse renseigne directement sur la vitesse de rotation à mesurer. Il s'agit d'une détection de fréquence. L'invention se distingue de la catégorie des résonateurs à coque dans la mesure où c'est justement la propriété que présente la masse de ne pas se déformer mais au contraire de se déplacer librement dans le plan qui est utilisée. Comme les résonateurs à coque, la structure peut présenter une symétrie radiale. L'invention a donc pour objet un gyroscope vibrant comportant une masse mobile par rapport à un substrat et destiné à mesurer un vecteur rotation perpendiculaire au plan du substrat, la masse mobile étant rattachée au substrat par des moyens de rappel présentant une raideur identique quelle que soit la direction du déplacement de la masse mobile dans un plan parallèle au plan du substrat, le gyroscope comportant des moyens d'excitation électrique de la masse mobile pour la faire vibrer à une pulsation déterminée, le gyroscope comportant également des moyens de détection permettant de fournir à chaque instant des informations sur la position de la masse mobile par rapport au substrat. La masse mobile et les moyens de rappel peuvent être situés dans un évidement réalisé à partir d'une face d'un substrat. La masse mobile peut aussi être située au-dessus d'une face du substrat, les moyens de rappel rattachant la masse mobile à des moyens d'ancrage solidaires du substrat. Dans ce cas, si la masse mobile a une forme annulaire, ou toute autre forme de type annulaire telle un polygone évidé, les moyens d'ancrage sont avantageusement constitués par un point d'ancrage situé au centre de l'anneau. Selon les cas, les moyens de rappel peuvent être constitués de bras flexibles ou par un soufflet. Avantageusement, les moyens de rappel de la masse mobile sont disposés de façon à assurer à la masse mobile une force de rappel isotrope dans le plan du substrat. Les moyens d'excitation électrique peuvent être des moyens d'excitation capacitifs constitués par des moyens formant électrodes, les uns liés à la masse mobile faisant face aux autres, solidaires du substrat. Les moyens de détection peuvent être des moyens de détection capacitifs constitués par des moyens formant électrodes, les uns liés à la masse mobile faisant face aux autres solidaires du substrat. Il peut en outre être prévu des moyens d'asservissement de la masse mobile. Ces moyens d'asservissement peuvent être des moyens d'asservissement capacitifs constitués par des moyens formant électrodes, les uns liés à la masse mobile faisant face aux autres, solidaires du substrat. Les moyens formant électrodes liés à la masse mobile peuvent être des parties conductrices de la masse mobile elle-même. Les moyens de détection et/ou d'excitation peuvent aussi comporter des jauges de contrainte situées sur les moyens de rappel. Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise au moyen de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 représente une première variante de gyroscope vibrant selon la présente invention, - la figure 2 représente une deuxième variante de gyroscope vibrant selon la présente invention, - la figure 3 représente une troisième variante de gyroscope vibrant selon la présente invention, - la figure 4 représente une quatrième variante de gyroscope vibrant selon la présente invention, - la figure 5 montre un détail du gyroscope représenté à la figure 1, - la figure 6 représente un gyroscope selon la première variante de réalisation, équipé de moyens d'excitation de la masse mobile et de moyens de détection de la position de la masse mobile, - les figures 7 et 8 représentent des gyroscopes selon la troisième variante de réalisation, équipés de moyens d'excitation de la masse mobile, - la figure 9 représente un gyroscope selon la troisième variante de réalisation, équipé de moyens d'excitation, de détection et d'asservissement de la masse mobile. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention La force d'inertie, dite de Coriolis, agit sur un mobile doté d'une vitesse relative par rapport à un repère lui-même en rotation par rapport à un repère fixe. En pratique ce mouvement relatif est un mouvement périodique de pulsation QO. L'intensité de la force d'inertie est proportionnelle au sinus de l'angle entre le vecteur vitesse relative et l'axe du vecteur rotation. On a donc intérêt, pour des questions d'optimisation, de concevoir des dispositifs dans lesquels la vitesse relative est perpendiculaire au vecteur rotation. S'agissant de gyroscopes relevant des microtechnologies, il est commode de raisonner en rattachant un repère cartésien (x, y, z) au substrat, les axes x et y étant dans le plan du substrat et l'axe z lui étant perpendiculaire. Le vecteur rotation désigne alors le vecteur optimalement détecté. En effet, sa composante parallèle au vecteur vitesse relative ne génère pas de force de Coriolis. On peut donc appeler de façon générique "vecteur rotation" la composante de la rotation qui demeure perpendiculaire à la fois à la vitesse relative imposée au mobile et à la direction selon laquelle on mesure la force de Coriolis. Si l'on appelle o la pulsation de rotation on montre que, dans le plan (x, y), les coordonnées (x2, Y2) en fonction du temps t d'une masse animée d'un mouvement oscillant par rapport à sa position de repos, sont décrites par le système d'équation suivant # x2=X [cos(#o.t).cos(#.t)+ sin(#o.t).sin(#.t)] #o # x2=X [cos(#o.t).sin(#.t)- sin(#o.t).cos(#.t)] #o La valeur de l'amplitude X est déterminée par l'impulsion initiale, la raideur du dispositif de rappel et les pertes par frottements. En pratique, il peut être avantageux d'augmenter cette amplitude en travaillant à la fréquence de résonance du dispositif. C'est à partir de la position de la masse dans le plan (x, y) que l'on peut calculer l'angle de rotation de l'ensemble du dispositif par rapport à un repère fixe. Comme le montre le système d'équations du mouvement, la position fait intervenir un produit de fonctions temporelles dépendant de la pulsation de vibration et de celle de rotation. Par traitement du signal, il est possible de dissocier les effets relatifs aux deux pulsations. En pratique, ceci signifie qu'un seul et même dispositif électrique peut assurer les deux fonctions d'excitation du mouvement de la masse et de détection de celui de précession. Il peut être cependant avantageux, dans certaines applications, de prévoir deux systèmes distincts l'un pour l'excitation, l'autre pour la détection. La figure 1 représente une première variante de gyroscope vibrant selon l'invention, obtenu par exemple par micro-usinage d'un substrat 1. A partir d'une face plane du substrat 1, définissant le plan (x, y), on a obtenu une masse mobile 2 logée dans un évidement 4 du substrat et rattachée au substrat par trois bras de rappel 3 régulièrement répartis et de forme incurvée. La masse mobile peut avoir une forme indifférente. A la figure 1, la masse mobile est circulaire. Les moyens de rappel de la masse mobile doivent assurer une force de rappel isotrope dans le plan (x, y) du substrat. Il est préférable que les éléments de rappel de la masse mobile présentent une périodicité angulaire dans leur disposition et qu'ils soient au moins au nombre de trois. Les éléments de rappel peuvent être des bras ou des poutres rectilignes ou non, en un ou en plusieurs segments. La figure 2 représente une deuxième variante de gyroscope vibrant selon l'invention. On retrouve un substrat plan 5 pourvu d'un évidement 6 dans lequel est logée la masse mobile 7. La masse mobile est, dans cet exemple, de forme carrée. Les éléments de rappel 8 sont cette fois au nombre de quatre et formés chacun de plusieurs segments disposés bout à bout. Ils sont régulièrement répartis pour procurer une raideur d'ensemble isotrope dans le plan (x, y) du substrat. La figure 3 représente une troisième variante de gyroscope vibrant selon l'invention. La masse mobile 11 est dans un plan parallèle au plan du substrat 10 mais, contrairement aux deux premières variantes, la masse mobile, qui a une forme en anneau, est située au-dessus du substrat. La masse mobile 11 est rattachée au substrat 10 par un point d'ancrage central 12 auquel elle est raccordée par des bras souples 13. Comme précédemment, les bras souples 13 sont régulièrement répartis pour procurer une raideur d'ensemble isotrope. La figure 4 représente une quatrième variante de gyroscope vibrant selon l'invention. La masse mobile circulaire 16 est cette fois dans le plan du substrat 15 mais les moyens de rappel sont constitués par un milieu continu de type soufflet 17. Ces gyroscopes selon la présente invention peuvent être fabriqués par des étapes de procédé de micro-usinage bien connues de l'homme de l'art. La masse mobile devant être réalisée sur la face avant d'un substrat, on peut commencer par graver la face arrière du substrat afin de conférer à la masse mobile l'épaisseur désirée. Ensuite, une étape de gravure par la face avant du substrat permet de délimiter la masse mobile et les moyens de rappel. Les étapes décrites ci-dessus sont complétées ou modifiées en fonction de la nature des moyens prévus pour obtenir l'excitation de la masse mobile et la détection de son déplacement. Ces moyens permettront de mettre la masse sismique en mouvement relativement au support et permettront de détecter sa position dans le plan (x, y). Ces deux fonctions peuvent être éventuellement dissociées. La position de la masse mobile peut être détectée par une famille de détecteurs de déplacement ou de contraintes. Ces détecteurs peuvent être des condensateurs à capacité variable, par variation de la dimension de l'entrefer ou de la surface des électrodes effectivement en regard. Il peut également s'agir de dispositifs à jauges de contraintes piézorésistives ou piézo-électriques, ou encore de dispositifs utilisant par exemple la force de Laplace suivant un principe déjà répertorié dans l'art antérieur. Les détecteurs peuvent être, on non associés au dispositif de suspension. Un exemple de détection par jauge de contrainte est représenté à la figure 5. Cette figure est une vue de détail de la figure 1. Elle montre le raccordement d'un bras de rappel 3 sur le substrat 1. A cet endroit, une jauge de contrainte 20 a été formée. Chacune de ses extrémités est reliée à un conducteur 21, 22 destiné à transmettre l'information recueillie. La jauge de contrainte 20 peut être formée par dopage du substrat au tout début du procédé de réalisation du gyroscope. Les conducteurs 21 et 22 peuvent être réalisés, en fin de procédé, par dépôt d'une couche métallique et gravure de cette couche. Pour faire vibrer la masse mobile à la pulsation QOT une seule électrode peut suffire. Les techniques classiques d'excitation des microtechnologies conviennent. On peut citer l'excitation de type capacitive. Les figures 6 et 7 illustrent deux exemples de réalisation possibles. La figure 6 illustre un gyroscope du type de la figure 1, vu de dessus. On reconnaît le substrat 25, la masse mobile 26 réalisée dans un évidement du substrat et rattachée élastiquement à ce substrat par des bras de rappel 27 représentés symboliquement. La masse mobile 26, complètement ou partiellement conductrice (par exemple par dopage du substrat en silicium) constitue l'une des électrodes d'un condensateur d'excitation. Une seconde électrode 28, fixe par rapport au substrat, a été prévue lors du procédé de réalisation du gyroscope. Elle est située en regard de la masse mobile 26 et forme, avec cette masse mobile, un condensateur. Si un signal d'excitation est appliqué entre l'électrode 28 et la masse mobile 26, la masse mobile est alternativement attirée et relachée (ou repoussée) de façon à vibrer à sa pulsation propre. Cette configuration minimale peut avantageusement être complétée par l'ajout d'électrodes supplémentaires d'excitation destinées, par exemple, à obtenir un meilleur contrôle de la vibration ou de la position de la masse, ou toute autre fonction. La figure 7 illustre un gyroscope du type de la figure 3, vu de dessus. On reconnaît le substrat 30 et la masse mobile 31 rattachée élastiquement au point d'ancrage 32 par des bras de rappel 33 représentés symboliquement. Comme précédemment, la masse sismique est complètement ou partiellement conductrice et constitue l'une des électrodes d'un condensateur d'excitation. Dans ce cas, la seconde électrode 34 du condensateur d'excitation, qui est rattachée au substrat 30, peut être située à l'extérieur de la masse mobile 31. Elle peut. aussi être située à l'intérieur de la masse mobile 31. On a représenté une telle électrode, référencée 35, en traits interrompus. La détection doit fournir à chaque instant les informations de position de la masse mobile. L'évolution de cette position dans le temps se traduit par un mouvement dépendant de la vibration QO et de la précession à la fréquence o. L'analyse fréquentielle permet donc de calculer la vitesse angulaire recherchée. Les détecteurs sont tels que la variation de la grandeur électrique mesurée, par exemple une impédance, est une fonction strictement monotone de la distance "d" entre un point fixe qui leur est attaché et le centre de gravité de l'ensemble de la structure mobile. On peut alors montrer qu'il existe de tels détecteurs. Un condensateur tel que ceux envisagés précédemment pour l'excitation, c'est-à-dire une électrode fixe et l'autre constituée par la masse mobile, convient. Si on suppose que, sous l'effet du déplacement de la masse, la superficie des électrodes en regard ne varie pas, la valeur de la capacité E. S s'écrit alors C= ce qui est bien une fonction e(d) strictement monotone de "d". Il faut utiliser au moins deux détecteurs de ce genre pour déterminer par "triangulation" et de façon univoque la position de la masse mobile dont le déplacement du centre de gravité est inscrit dans le cercle dont le centre est sa position au repos, et le rayon sa distance à un détecteur. La configuration minimale nécessaire à la détermination de la position de la masse nécessite deux électrodes non alignées avec le centre de gravité. L'une de ces électrodes peut éventuellement être également utilisée alternativement pour l'excitation de la masse mobile. Les moyens classiques de détection des microtechnologies peuvent être employés et parmi eux la détection capacitive. Ainsi, dans le cas de la figure 6, l'ajout d' une électrode supplémentaire 29, non alignée avec l'électrode 28, suffit si la masse mobile 26 constitue une autre électrode en vis-à-vis de l'électrode 29. La masse mobile 26 constitue, comme pour l'excitation, une référence. Les électrodes 28 et 29 permettent de déterminer la distance les séparant de la masse mobile. Par construction géométrique on déduit la position relative de la masse à un instant donné. On peut avantageusement augmenter le nombre d'électrodes. On peut également avantageusement disposer les électrodes équidistantes angulairement les unes des autres comme cela est représenté sur la figure 8 qui illustre un gyroscope du type de la figure 3, vu de dessus. On reconnaît le substrat 40 et la masse mobile 41 rattachée élastiquement au point d'ancrage 42 par des bras de rappel 43 représentés symboliquement. La masse mobile étant conductrice, n condensateurs de détection capacitive sont constitués en disposant régulièrement n électrodes 44 en vis-à-vis de la masse mobile 41, à l'intérieur de la masse mobile. Au lieu de les disposer intérieurement, ces électrodes de détection peuvent être disposées extérieurement. C'est le rôle des électrodes 45 représentées en traits interrompus et équidistantes angulairement. Les configurations des figures 6 et 8 ne sont pas limitatives et, pour chaque structure, de deux électrodes (non alignées avec le centre de gravité) à n électrodes peuvent être disposées par rapport à la masse mobile. L'augmentation du nombre d'électrodes peut être envisagé avantageusement pour augmenter la résolution du capteur ou améliorer le rapport signal/bruit. Il peut être avantageux qu'un ou plusieurs dispositifs d'excitation contribuent à la fois à l'excitation et à la détection. En effet, dans la mesure où les signaux d'excitation et la précession caractéristique de la rotation sont à des fréquences différentes, on peut, par exemple, utiliser un effet de multiplexage. La structure peut avantageusement être asservie en position à l'aide d'électrodes utilisées pour l'excitation et la détection. L'asservissement peut avantageusement être réalisé à l'aide d'électrodes supplémentaires pouvant être également de type capacitif et disposées autour de la masse mobile. L'asservissement consiste en la création d'une force qui s' oppose à la force de Coriolis détectée et maintient la masse mobile suivant sa trajectoire initiale résultant de sa vibration à sa pulsation QO suivant un axe défini par l'électrode (ou les électrodes) d'excitation. La figure 9 montre un exemple de gyroscope selon l'invention, du type de la figure 3, comprenant des électrodes de détection, d'asservissement et d'excitation. On reconnaît le substrat 50 et la masse mobile 51 rattachée élastiquement au point d'ancrage 52 par des bras de rappel 53 représentés symboliquement. Comme précédemment, la masse mobile 52 constitue autant d'électrodes de condensateur pour les électrodes qui lui sont placées en regard. L'excitation de la masse mobile 41 se fait en appliquant une tension appropriée, à la fréquence de résonance, entre la masse mobile 41 et, alternativement, entre les électrodes 54 et 55. On obtient un mouvement d'oscillation de la masse mobile à la pulsation QO. L'asservissement peut être obtenu par les électrodes 56 et 57 ou 58 et 59 en association avec la masse mobile conductrice. Sous l'effet de la force de Coriolis, la masse mobile, oscillant dans la direction d'un axe passant par les électrodes 54 et 55, a tendance à tourner autour du point d'ancrage 52. On crée alors une force d'excitation décalée qui maintient l'excitation suivant la direction définie par les électrodes 54 et 55. Les mêmes électrodes (54 et 55 et éventuellement 56 et 57, 58 et 59) en association avec la masse mobile peuvent servir de détection de position de la masse mobile à partir de laquelle on peut calculer la vitesse angulaire orthogonale au plan. La structure peut aussi être asservie en fréquence en sollicitant l'ensemble de l'excitation pour produire un champ de force tournant de façon à entretenir le mouvement global de la masse mobile, c'est-à-dire son oscillation avec précession. Dans ce cas, la fréquence de rotation du champ tournant est asservie à la fréquence de précession du mobile. REVEND I CAT IONS 1. Gyroscope vibrant comportant une masse (2, 7, 11, 16, 26, 31, 41, 51) mobile par rapport à un substrat (1, 5, 10, 15, 25, 30, 40, 50) et destiné à mesurer un vecteur rotation perpendiculaire au plan du substrat, la masse mobile étant rattachée au substrat par des moyens de rappel (3, 8, 13, 17, 27, 33, 43, 53) présentant une raideur identique quelle que soit la direction du déplacement de la masse mobile dans un plan parallèle au plan du substrat, le gyroscope comportant des moyens d'excitation électrique de la masse mobile pour la faire vibrer à une pulsation déterminée, le gyroscope comportant également des moyens de détection permettant de fournir à chaque instant des informations sur la position de la masse mobile par rapport au substrat. 2. Gyroscope vibrant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse mobile (2, 7) et les moyens de rappel (3, 8) sont situés dans un évidement (4, 6) réalisé à partir d'une face d'un substrat (1, 5). 3. Gyroscope vibrant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse mobile (11) est située au-dessus d'une face du substrat (10), les moyens de rappel (13) rattachant la masse mobile (11) à des moyens d'ancrage (12) solidaires du substrat. 4. Gyroscope vibrant selon la revendication 3, caractérisé en ce que la masse mobile (11) ayant une forme annulaire, les moyens d'ancrage sont constitués par un point d'ancrage (12) situé au centre de 1 'anneau. 5. Gyroscope vibrant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de rappel sont constitués de bras flexibles (3, 8, 13). 6. Gyroscope vibrant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de rappel sont constituées par un soufflet (17). 7. Gyroscope vibrant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de rappel de la masse mobile sont disposés de façon à assurer à la masse mobile une force de rappel isotrope dans le plan du substrat. 8. Gyroscope vibrant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens d'excitation électrique sont des moyens d'excitation capacitifs constitués par des moyens forant électrodes, les uns liés à la masse mobile (26, 31) faisant face aux autres (28, 34) solidaires du substrat (25, 30). 9. Gyroscope vibrant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de détection sont des moyens de détection capacitifs constitués par des moyens formant électrodes, les uns liés à la masse mobile faisant face aux autres solidaires du substrat. 10. Gyroscope vibrant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'asservissement de la masse mobile. 11. Gyroscope vibrant selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens d'asservissement sont des moyens d'asservissement capacitifs constitués par des moyens formant électrodes, les uns liés à la masse mobile faisant face aux autres solidaires du substrat. 12. Gyroscope vibrant selon l'une quelconque des revendications 8, 9 et 11, caractérisé en ce que les moyens formant électrodes liés à la masse mobile sont des parties conductrices de la masse mobile elle-même. 13. Gyroscope vibrant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de détection et/ou d'excitation comportent des jauges de contrainte (20) situées sur les moyens de rappel (3). 14. Gyroscope vibrant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est constitué à partir d'un substrat en silicium.