Brevet FR2919392A1 — publié le 20090130

ACCELEROMETRE D'UNITE DE MESURE INERTIELLE A COUT REDUIT ET SECURITE AMELIOREE La présente invention se rapporte à un accéléromètre d'unité de mesure inertielle ainsi qu'à une unité de mesure inertielle basée sur un tel accéléromètre. On connaît d'après le brevet français 2 848 298 du Demandeur un accéléromètre uni-axial micro-usiné dans une plaque de silicium par exemple, qui est composé d'une ou de deux masses sismiques suspendues dans un plan et guidées selon un axe préférentiel commun de déplacement. Un système d'amplification de force associé à chaque masse sismique permet d'amplifier la force qu'elle produit, lorsqu'elle est soumise à une accélération, et de l'appliquer au résonateur correspondant, entretenu en vibration par un circuit électronique dédié. La puce de détection comportant les éléments précités constitue une cavité sous vide permettant d'obtenir un grand facteur de qualité pour les résonateurs. Un tel accéléromètre a été schématisé en figure 1 par exemple en configuration bi- masses. L'accéléromètre uni-axial de la figure 1 comporte essentiellement deux masses sismiques planes 1, 2 mobiles en translation sous l'action d'une accélération y appliquée selon l'axe sensible de l'accéléromètre (axe parallèle aux flèches 3, 4 représentant les forces d'accélération My appliquées aux centres de gravité respectifs de ces masses M), ces masses étant suspendues dans un même plan par des bras B à un cadre rigide 5 faisant partie du substrat sur lequel est formé l'accéléromètre. Chacune de ces deux masses 1, 2 est reliée par un cric 6, 7 en forme de pantographe à un résonateur 8, 9 respectivement. Ces crics sont reliés par un de leurs sommets à la masse correspondante et par leur sommet opposé à une partie fixe 10, 11 du substrat, située entre les deux masses. Les résonateurs 8, 9 sont fixés entre les deux autres sommets des pantographes. Ainsi, lorsqu'une accélération y (ou une composante d'accélération) est appliquée (horizontalement et vers la droite sur le dessin), la masse 1 comprime le pantographe 6 et étire donc le résonateur 8, tandis que la masse 2 étire le pantographe 7 en comprimant le résonateur 9, ce qui modifie leurs fréquences de résonance respectives. Un tel accéléromètre se présente sous forme d'une puce (élément monolithique MEMS , pour Micro ElectroMechanical System ) qui est montée dans un boîtier-cellule permettant son positionnement mécanique, et les connexions électriques aux résonateurs. Il est par ailleurs possible de créer le vide dans la cellule lorsqu'il n'a pas été possible de le réaliser dans la puce, la puce étant dotée d'évents de mise au vide. Cet accéléromètre connu est doté d'un système de mesure de température pour effectuer les compensations appropriées et de circuits électroniques de proximité à deux voies permettant d'entretenir les deux résonateurs en vibration à la résonance. Les signaux des deux voies de mesure de fréquence sont convertis et adressés à des circuits électroniques numériques réalisant les asservissements, la restitution de l'accélération par différence des deux fréquences ou par des traitements plus sophistiqués, les compensations et la mise au format de sortie numérique. Une unité de mesure inertielle (UMI ) de l'art antérieur est constituée, en particulier, de trois accéléromètres uni-axiaux disposés dans des plans orthogonaux deux à deux, soit trois cellules contenant chacune une puce, trois circuits de mesure de température, six voies de mesure de fréquence et un circuit de traitement numérique. La présente invention a pour objet un accéléromètre d'unité de mesure inertielle permettant de réduire le coût et/ou d'améliorer la sécurité de cette unité de mesure inertielle. L'accéléromètre conforme à l'invention est un accéléromètre d'unité de mesure inertielle du type à résonateur dont la fréquence de résonance est modifiée par un dispositif à au moins une masse mobile en fonction des accélérations subies par cette masse mobile, et il est caractérisé en ce qu'il est bi-axial et comprend au moins deux masses mobiles sensibles aux accélérations se produisant selon un axe quelconque dans un plan et associées chacune à un dispositif de conversion de la force appliquée à la masse sensible aux accélérations en signaux électriques, les axes sensibles de ces masses étant mutuellement disposés de façon à permettre la détermination de leurs composantes dans ledit plan. Dans le cas où l'accéléromètre comporte deux masses mobiles associées chacune à un dispositif de conversion de force, les axes sensibles de leurs dispositifs de conversion de force sont orientés l'un par rapport à l'autre selon un angle différent de 0 ou 90 . Bien entendu, un tel mode de réalisation est plus économique que ceux comportant plus de deux masses mobiles, mais est moins sécurisé que ces derniers. Dans le cas où l'accéléromètre comporte N masses mobiles (N>_3), leurs axes sensibles sont sensiblement concourants en un point et forment, de proche en proche, un angle d'environ 2n/N. Dans toute la présente description, accéléromètre bi-axial signifie que cet accéléromètre est capable de mesurer une accélération de direction quelconque dans un plan. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le dispositif sensible aux accélérations comprend au moins trois masses sismiques dont les axes sensibles sont non parallèles et par exemple répartis à 120 les uns des autres, et qui sont associées chacune à un dispositif de conversion de la force appliquée à la masse en signaux électriques. Selon une autre caractéristique de l'invention, on constitue une unité de 15 mesure inertielle à l'aide de deux tels accéléromètres. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel : 20 - la figure 1, déjà décrite ci-dessus est un schéma simplifié d'une cellule de l'art antérieur captant des accélérations selon un seul axe, - la figure 2 est un schéma simplifié d'une cellule conforme à la présente invention destinée à capter des accélérations selon une direction quelconque dans un plan, et 25 - la figure 3 est une vue en plan d'un exemple de réalisation d'une puce d'accéléromètre conforme à l'invention. L'accéléromètre de l'invention comporte au moins deux masses mobiles également dénommées masses sismiques. On a représenté sur la figure 2 le cas où il 30 comporte trois masses sismiques. L'accéléromètre de la figure 2 comporte trois capteurs 12, 13, 14 comprenant chacun une masse sismique 15, 16 et 17 respectivement. Ces masses sismiques sont coplanaires et associées chacune à un dispositif de conversion de force comprenant essentiellement un résonateur 18, 19 et 20 respectivement, solidaire d'un pantographe 21, 22 et 23 respectivement, chaque résonateur étant relié à un circuit d'excitation, de conversion de fréquence et de traitement du signal (non représentés). Les pantographes sont ancrés à des zones fixes, respectivement 24 à 26, du substrat sur lequel sont formées les masses sismiques. Ces capteurs sont réalisés par exemple selon le procédé décrit dans le brevet français précité, mais adapté à l'invention de façon évidente pour l'homme de l'art. Chacune des masses 15 à 17 est maintenue dans le plan commun à ces trois masses par des bras de suspension (non représentés). Dans cette configuration, les trois masses sont disposées de façon que leurs centres de gravité respectifs forment les sommets d'un triangle, par exemple équilatéral, et leurs dispositifs de suspension sont tels qu'ils les guident selon trois axes sensibles disposés à 120 environ les uns des autres. Comme représenté en figure 2, les trois masses 15 à 17 sont suffisamment écartées les unes des autres pour laisser entre elles un espace tel qu'il permet d'y loger leurs dispositifs de conversion de force et résonateurs respectifs (comportant en particulier les éléments 18 à 26). Dans le cas, représenté en figure 2, où une accélération y est appliquée à l'accéléromètre selon un axe sensiblement parallèle à l'axe sensible de la masse 17, une composante de cette accélération (dirigée selon l'axe sensible de la masse 15) est appliquée à la masse 15, ce qui a pour effet de comprimer le pantographe 21 et d'étirer le résonateur 18. D'autre part, une composante de cette accélération y (composante dirigée selon l'axe sensible de la masse 16), est appliquée à la masse 16, ce qui a pour effet d'étirer le pantographe 22 et de comprimer le résonateur 19. Enfin, une autre composante de cette accélération y (composante dirigée selon l'axe sensible de la masse 17) est appliquée à la masse 17, ce qui a pour effet d'étirer le pantographe 23 et de comprimer le résonateur 20. Les modifications de fréquence de résonance des trois résonateurs 18 à 20 sont alors mesurées et converties en valeurs d'accélérations, de façon connue en soi Par un calcul simple de composition vectorielle, en combinant de façon connue en soi les trois composantes d'accélération ainsi mesurées (par projection selon les cosinus directeurs des axes sensibles des résonateurs), on arrive à déterminer la direction et l'intensité de l'accélération y. La puce bi-axiale renfermant l'accéléromètre tel que celui de la figure 2 est sensiblement plus grande que dans le cas d'un accéléromètre uni-axial (surface multipliée par 1,5 à 2), et elle nécessite 1,5 fois plus de connexions électriques que cette dernière ( voire un peu moins si des points communs sont possibles). Elle est reportée dans un boîtier-cellule. Un seul système de compensation thermique est nécessaire pour l'accéléromètre bi-axial et les voies de traitement de fréquence des résonateurs sont identiques au cas uni-axial. On a représenté en figure 3 un exemple de réalisation d'une puce biaxiale conforme à l'invention. Dans ce mode de réalisation, le centre de la puce accélérométrique est occupé par une petite pièce mobile C en forme de triangle équilatéral. Cette pièce C sert de moyen de couplage entre les trois masses mobiles 27 à 29, qui sont identiques et entourent cette pièce centrale. Chacune des masses 27 à 29 a une forme générale de trapèze s'élargissant du centre vers la périphérie, sa petite base étant parallèle à un côté du triangle C. Les trois masses s'inscrivent dans un polygone qui est sensiblement un triangle équilatéral dont les côtés sont respectivement parallèles aux côtés du triangle C auquel elles sont reliées par des bras, par exemple des bras repliés (non représentés). Des électrodes planes d'amortissement 30 à 32, par exemple en forme de losanges, sont disposées aux trois sommets du triangle circonscrit aux masses, parallèlement au plan des masses mobiles, sous ce plan. Les masses mobiles 27 à 29 sont associées chacune à un ensemble cric + résonateur référencé dans son ensemble 33 à 35, respectivement, chacun de ces ensembles étant disposé sensiblement au centre de la masse mobile correspondante, dans un évidemment pratiqué dans cette masse. Chacune de ces masses est guidée selon un axe sensible parallèle à l'axe sensible par des bras de guidage B. Des électrodes d'excitation E, disposées sous les masses, à proximité des résonateurs correspondants, les excitent à la résonance. Des électrodes de détection D, sont également disposées sous les masses, à proximité des résonateurs correspondants, et recueillent les variations de fréquence de résonance des résonateurs correspondants, ces variations apparaissant lorsque les masses sont soumises à des accélérations et étirent ou compriment ces résonateurs. Une UMI conforme à l'invention est dès lors constituée de deux accéléromètres bi-axiaux dont les plans sont mutuellement orthogonaux. L'ensemble comporte donc deux cellules contenant chacune une puce, deux dispositifs de mesure de température, six voies de traitement des variations des fréquences des résonateurs et un dispositif de traitement numérique. Ainsi, cette architecture a un fonctionnement plus sûr, car elle dispose d'un axe de mesure redondant, ce qui lui confère quatre axes sensibles, lui permettant ainsi de résister à une panne d'une voie de traitement de fréquence. Selon une variante de l'invention, l'UMI est sans redondance et est constituée d'un accéléromètre bi-axial XY et d'un accéléromètre uni-axial Z. Bien entendu, cette variante est plus économique que le mode de réalisation à deux accéléromètres bi-axiaux, mais est moins sécurisée que ce dernier. On a résumé dans le tableau ci-dessous les avantages et inconvénients des différentes possibilités de réalisation d'une UMI, à savoir la solution de l'art antérieur à trois accéléromètres (ou capteurs) uni-axiaux et les solutions de l'invention à deux accéléromètres bi-axiaux et à un accéléromètre uni-axial et un accéléromètre bi-axial. Solution 3 eepteus uni- Solution 2 Capteurs bi-Solution en capteir Bi et un axai x axiaux uni-axial Suface silicium 3s 3s à 4s 2,5s à 3s Cannexian électrique puce 3c 3c 3c More de Boîtiers-cellules 3 2 2 voie terrpératu-e 3 2 2 voies fréquences 6 6 5 Nombre de modelas 3 2 2 Traitement rxrr>érique Ln peu plus complexe un peu plus complexe Coût intégaticn moins oarplexe moins complexe Redondance auane 1 voie accéléra auane Coût réaient moins cher moins cher Vdurre UM plus faible plus faible REVENDICATIONS 1. Accéléromètre d'unité de mesure inertielle du type à résonateur dont la fréquence de résonance est modifiée par un dispositif à au moins une masse mobile en fonction des accélérations subies par cette masse mobile, caractérisé en ce qu'il est bi-axial et comprend au moins deux masses mobiles sensibles aux accélérations se produisant selon un axe quelconque dans un plan et associées chacune à un dispositif de conversion de la force appliquée à la masse sensible aux accélérations en signaux électriques, les axes sensibles de ces masses étant mutuellement disposés de façon à permettre la détermination de leurs composantes dans ledit plan. 2. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux masses mobiles et que les axes sensibles de leurs dispositifs de conversion de force sont orientés l'un par rapport à l'autre selon un angle différent de 0 ou 90 . 3. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif sensible aux accélérations comprend N masses mobiles (N>_3) dont les axes sensibles sont sensiblement concourants en un point et forment, de proche en proche, un angle d'environ 2n/N. 4. Unité de mesure inertielle, caractérisée en ce qu'elle comporte deux accéléromètres bi-axiaux selon l'une des revendications 1 à 3. 5. Unité de mesure inertielle, caractérisée en ce qu'elle comporte un accéléromètre bi-axial selon l'une des revendications 1 à 3 et un accéléromètre uni-axial.