Brevet FR2838820A1 — publié le 20031024

Lraitement du sigal (30). PROCEDE POUR CONSTITUER UN RESONATEUR MECANIQUE A STRUCTURE VIBRANTE MONOLITHIQUE PLANE USINEE DANS UN MATERIAU CRISTALLIN, ET RESONATEUR AINSI CONSTITUE La presente invention concerne des perfection nements apportes dans le domaine des dispositifs gyroscopiques a resonateurs mecaniques a structure vibrante monolithique plane usinee dans un materiau cristallin. Les dispositifs gyroscopiques vent des dispositifs permettant de mesurer une vitesse de rotation ou un angle de rotation autour d'un ou plusieurs axes particuliers. Les realisations techniques de dispositifs gyroscopiques vent anjourd'hui nombreuses, mais le besoin se fait actuellement sentir pour des dispositifs de tres faible encombrement (inferieur a quelques centimetres cube) realisables en grande serie a teas prix, resistant a des accelerations brutales et de niveau eleve, et capables de fournir des mesures avec une grande precision dans une plage importante de vitesse de rotation. Parmi les domaines potentials d' application pour ces dispositifs, on peut notamment citer celui de la navigation et du guidage des petite missiles spinnes (course portee anti-char par exemple) ou munitions spinnees (obus ou mortiers), c'est a-dire des projectiles dont l'axe de roulis est soumis a une vitesse de rotation permanente elevee, typiquement de quelques tours par seconde pour les missiles spinnes ou les projectiles empennes et de plusieurs centaines de tours par seconde pour les projectiles gyroscopes. Pour repondre a ce besoin, la technologie des gyroscopes vibrants associee a la realisation de structures micro-usinees est particulierement bien adaptee. Cependant, bien que plusieurs formules aient vu le j our et se trouvent a un stade de developpement et d'industrialisation plus ou moins avance, aucune d'entre elles ne permet de repondre correctement a la problematique posee par les applications precedemment citees et pour lesquelles une mesure de rotation sur l'axe de roulis est necessaire. Cette incapacite de ces formules a repondre correc tement aux be s o ins provi ent de la conjonction de deux causes: la premiere cause est qu'elles vent intrinsequement adaptees a un bouclage de type gyrometre (mesure de vitesse angulaire); la deuxieme cause est que les dynamiques de vitesse de rotation sur l'axe de roulis vent trop elevees pour qu'un bouclage gyrometrique offre une precision suffisante et/ou ne finisse par mettre en saturation l'electronique de mise en muvre du capteur. De ce fait, il est connu que la senle reponse generale possible au probleme pose consiste a utiliser des dispositifs intrinsequement adaptes a un bouclage de type gyroscope (mesure de ['angle de rotation). En outre, comme cela est precise dans le document FR 2 756 375, le bouclage gyroscope d'un resonateur mecanique vibrant dispose selon l'axe de roulis d'un porteur permet diobtenir une grande precision de facteur dechelle. En combinaison avec des resonateurs boucles en mode gyrometre sur les axes transverses du porteur, il est ainsi possible de realiser un systeme performant pour lequel les erreurs de biais des resonateurs transverses s'annulent sur un tour du porteur autour de son axe de roulis. Dans le cas des dispositifs de technologie gyroscopes vibrants, la condition d'un bouclage optimal de type gyroscope passe par la recherche de structures dont l'anisotropie de frequence entre les deux modes utiles couples sous leffet des forces de Coriolis est intrinsequement nulle. L'anisotropie de frequence peut etre decomposee en trots termes principaux: Af = Afm + Afg + fs ou Af est l'anisotropie de frequence globale, Afm est l'anisotropie de frequence apportee par le materiau du resonateur, Afg est l'anisotropie de frequence apportee par la geometric du resonateur, et Afs est l'anisotropie de frequence apportee par la suspension ou fixation du resonateur. On pourrait aj outer d'autres termes comme par exemple les anisotropies apportees par la mise en muvre electronique, mais ces termes vent supposes de deuxieme ordre devant les termes enonces ici. Ainsi, pour que l'anisotropie de frequence globale Af soit nulle, il est suffisant que les trots composantes Afm, Afg et Afs soient toutes nulles. D'autres conditions suffisantes vent possibles, mais impliquent necessairement des compensations entre les composantes Afm et/ou Afg et/ou Afs, ce qui finalement augmente la complexite de la definition de la structure du resonateur et rend particulierement sensible cette structure aux variations de tout parametre. I1 semble done fondamental de rechercher des structures dont chaque terme Afm, Afg et Afs est nul. Toutefois, on constate que la vole de conception usuellement pratiquee consiste, pour les structures de resonateurs micro-usines, a ne prendre en compte que les aspects geometriques, alors qu'il est tout aussi fondamental de considerer le materiau constitutif du resonateur a travers ses symetries intrinseques ou resultant du plan de coupe dans loquel sera taillee la pastille (wafer) supportant la structure du resonateur. A titre d'exemple permettant d'illustrer ce qui vient d'etre expose, on peut considerer l'exemple connu de ltanneau vibrant dont la geometric convient parfaitement a l'obtention d'un bouclage de type gyroscope. En realisant cette structure dans une pastille de silicium (gravure humide) coupee selon le plan [001] et en utilisant les deux modes plans de deformation elliptique comme mode principal et comme mode secondaire, on obtient naturellement Afg = 0, mais Afm est tres largement superieur a 1 Hz. En pratique, pour un anneau de frequence moyenne 400 Hz, ayant un diametre 5 mm et une epaisseur am, on obtient Afm = 250 Hz, si bien que finalement, en negligeant l'anisotropie de frequence apportee par la fixation ou d'autres elements, on obtient une anisotropie de frequence globale Af de l'ordre de 250 Hz. Ce resultat est incompatible d'un bouclage performant de type gyroscope et illustre bien la problematique soulevee pour les resonateurs issus des technologies de la microelectro- nlque. En effet, les structures de resonateur micro- usinees utilisent comme materiaux supports des materiaux cristallins, qui vent naturellement anisotropes et qui de ce fait se present particulierement bien aux micro- usinages par gravure chimique, comme cela est pratique avec les procedes collectifs de la microelectronique. A l'avantage lie a l' aspect collectif des usinages, il convient cependant diopposer l' inconvenient majeur de l'anisotropie du materiau. Cette anisotropie, lorsqu'aucune regle de choix des symetries du materiau en coherence avec la symetrie des modes utilises n'est respectee, conduit irremediablement a un terme Afm non nul. L' invention a done pour but de proposer une solution technologique (procede et dispositif) qui assure, de maniere certaine, l'obtention dune isotropic de frequence apportee par le materiau cristallin dans lequel est taille le resonateur vibrant a structure plane, etant entendu que la presente invention vise senlement a donner les moyens dobtention de l'isotropie en frequence apportee par le materiau (Afm = 0) et que les problemes de l'obtention des isotropies de frequence dues a la geometric (Afg) et a la suspension (Afs) vent a resoudre par ailleurs aux fins d'obtention d'une isotropic de frequence globale (Af = 0) apte a constituer un dispositif intrinsequement gyroscopique (voir par exemple le document FR 01 02498). I1 faut comprendre que, si le materiau du resonateur est isotrope, alors les pulsations propres des deux modes d'ordre k deviennent egales, cela quel que soit k: m1 = m2 = À D'autre part, les deformees des deux modes propres d'ordre k vent identiques par rotation du repere diun angle de 2k. C'est ainsi que les modes d'ordre 2 de l'anneau vibrant correspondent a des deformees elliptiques decalees l'une par rapport a l'autre d'un angle de 4=45 . De meme, les modes d'ordre 3 de l'anneau vibrant correspondent a des deformees trilobees decalees l'une par rapport a l'autre d'un angle de 6=30 . Le plan de coupe du materiau cristallin est defini par la position de son vecteur normal V, qui est lui-meme defini par ses coordonnees [x, y, z] dans un repere norme Oex, ey, ez. Ainsi la seule donnee des trots informations [x, y, z] permet de definir de maniere unique le vecteur normal V, et done le plan de coupe. Par exemple la donnee [001] donne les coordonnees du vecteur normal et le plan est parallele au plan (ex, ey). Par ailleurs, on salt que les materiaux cristallins actuellement connus se decomposent en 32 classes reparties en 9 families du point de vue de la representation des matrices de rigidite ou de souplesse: on citera notamment les families tetragonale (1), tegragonale (2), trigonale (1), trigonale (2), hexagonale et cubique. Enfin, on precise que seuls les modes vibratoires dordre k = 2 et k = 3 des resonateurs vibrants peuvent, actuellement, etre exploitee de facon pratique, tandis que ['exploitation de modes vibratoires d'ordre superieurs (k = 4, 5,...) necessiterait une mise en muvre electronique tres complexe (multiplication du nombre des electrodes d'excitation/detection qui serait incompatible avec une realisation d'un dispositif gyroscopique de taille reduite, voire tres reduite). Ceci etant precise, l' invention, selon un premier de ses aspects, propose un procede pour constituer un resonateur mecanique a structure vibrante monolithique plane usinee dans un materiau cristallin, caracterise en ce que: - si le materiau cristallin est choisi parmi les materiaux cristallins a structure trigonale (1), ou trigonale (2), ou hexagonale, ce materiau est coupe dans le plan [001] ou, s'il est choisi parmi les materiaux a structure cubique, il est coupe dans le plan [111], et on exploite alors le mode vibratoire d'ordre 2, ou bien - si le materiau cristallin est choisi parmi les materiaux cristallins a structure tetragonale (1), ou tetragonale (2), ou hexagonale, ce materiau est coupe dans le plan [001] ou, s'il est choisi parmi les materiaux a structure cubique, il est coupe dans le plan [001] ou [100] ou [010], et on exploite alors le mode vibratoire d'ordre 3, ce grace a quoi on confere au resonateur une isotropic naturelle de frequence en materiau (Afm = 0) Ces caracteristiques peuvent etre resumees comme il suit: famille trigonale (1) -+ plan [001] trigonale (2) -+ [001] pour k = 2 hexagonale -> [001] cubique [111] famille tetragonale (1) -+ plan [OO1] tetragonale (2) -+ [001] pour k = 3 hexagonale [001] ([001] cubique][100] t[010] Bien entendu la mise en muvre des dispositions exposees peut accompagner une realisation de structure axisymetrique qui conduit a une isotropic de geometric Afg = 0. Selon un second de ses aspects, l' invention propose un resonateur mecanique a structure vibrante monolithique plane usinee dans un materiau cristallin, caracterise en ce que, pour que le resonateur soit isotrope en frequence en materiau (Afm = 0), le materiau cristallin est choisi parmi les suivants: a) materiau cristallin a structure tetragonale (1) ou tetragonale (2) coupe dans le plan [001], le resonateur presentant alors une isotropic de frequence en materiau pour le mode vibratoire d'ordre 3; b) materiau cristallin a structure trigonale (1) ou trigonale (2) coupe dans le plan [001], le resonateur presentant alors une isotropic de frequence en materiau pour le mode vibratoire d'ordre 2; c) materiau cristallin a structure hexagonale coupe dans le plan [001], le resonateur presentant alors une isotropic de frequence en materiau pour les deux modes vibratoires d'ordre 2 et 3; d) materiau cristallin a structure cubique - coupe dans le plan [111], le resonateur presentant alors une isotropic de frequence en materiau pour le mode vibratoire diordre 2 ou coupe dans les plans [001], [100] ou [010], le resonateur presentant alors une isotropic de frequence en materiau pour le mode vibratoire d'ordre 3. En consequence de quoi, un resonateur constitue conformement a l 'invention par un choix approprie du materiau cristallin constitutif, du plan de coupe audit materiau cristallin et de liordre k du mode vibratoire presente une isotropic de frequence en materiau (Af = 0) et, sous reserve de ltobtention par ailleurs d'une isotropic de frequence globale Af = 0 (par exemple avec Afg = 0 et Afs = 0, ou avec Afg + Afs = 0), un tel resonateur pent constituer le concur d'un dispositif gyroscopique de conception optimale. REVENDICATIONS 1. Procede pour constituer un resonateur mecanique a structure vibrante monolithique plane usinee dans un materiau cristallin, caracterise en ce que: - si le materiau cristallin est choisi parmi les materiaux cristallins a structure trigonale (1), ou trigonale (2), ou hexagonale, ce materiau est coupe dans le plan [001] ou, s'il est choisi parmi les materiaux a structure cubique, il est coupe dans le plan [111], et on exploite alors le mode vibratoire d'ordre 2, ou bien - si le materiau cristallin est choisi parmi les materiaux cristallins a structure tetragonale (1), ou tetragonale (2), ou hexagonale, ce materiau est coupe dans le plan [001] ou, stil est choisi parmi les materiaux a structure cubique, il est coupe dans le plan [001] ou [100] ou [010], et on exploite alors le mode vibratoire d'ordre 3, ce grace a quoi on confere au resonateur une isotropic naturelle de frequence en materiau (Afw = 0) 2. Resonateur mecanique a structure vibrante monolithique plane usinee dans un materiau cristallin, caracterise en ce que, pour que le resonateur soit isotrope en frequence en materiau (Afm = 0), le materiau cristallin est choisi parmi les suivants: e) materiau cristallin a structure tetragonale (1) ou tetragonale (2) coupe dans le plan [001], le resonateur presentant alors une isotropic de frequence en materiau pour le mode vibratoire diordre 3; f) materiau cristallin a structure trigonale (1) ou trigonale (2) coupe dans le plan [001], le resonateur presentant alors une isotropic de frequence en materiau pour le mode vibratoire dordre 2; g) materiau cristallin a structure hexagonale coupe dans le plan [001], le resonateur presentant alors une isotropic de frequence en materiau pour les deux modes vibratoires diordre 2 et 3; h) materiau cristallin a structure cubique - coupe dans le plan [111], le resonateur presentant alors une isotropic de frequence en materiau pour le mode vibratoire diordre 2 ou coupe dans les plans [001], [100] ou [010], le resonateur presentant alors une isotropic de frequence en materiau pour le mode vibratoire