Brevet FR2960635A1 — publié le 20111202

La présente invention concerne un capteur de rotation inertiel utilisable par exemple comme gyroscope ou comme gyromètre. L'invention concerne plus particulière-ment un capteur à résonateur hémisphérique ou GRH. Un tel capteur comprend une embase sur laquelle est montée via des pilotis une plaque porte-électrodes dont est solidaire un résonateur hémisphérique vibrant. Le résonateur hémisphérique vibrant possède un pied central fixé sur la plaque porte-électrodes et un bord annu- laire libre s'étendant en regard d'électrodes de la plaque porte-électrodes. Le résonateur est réalisé en silice et est partiellement recouvert d'une couche métallique en regard des électrodes de la plaque porte-électrodes pour définir avec celles-ci des transducteurs répartis en une voie de commande et une voie de détection qui sont reliées à un circuit de traitement. Le circuit de traite-ment s'étend d'un côté de l'embase opposé au résonateur et est contenu, comme le résonateur et la plaque morte-électrodes, dans une enceinte de confinement sous vide fixée à l'embase. De tels capteurs présentent de bonnes performances les rendant adaptés à la plupart des applications et notamment à leur implantation dans des centrales inertielles de navigation embarquées à bord des véhicules comme des aéronefs. En revanche, leur coût est élevé, ce qui limite leur utilisation aux véhicules dont le coût justifie un tel investissement. Il est par ailleurs connu des capteurs de rotation comportant une embase sur laquelle est monté un ré- sonateur comportant des colonnes vibrantes disposées en carré et parallèles les unes aux autres. Un transducteur est associé à chaque colonne et relié à un circuit de traitement. De tels capteurs présentent des performances plus modestes mais sont nettement moins coûteux que les cap- teurs de type GRH. Leurs performances sont toutefois in-suffisantes pour des applications de pilotage d'un porteur ou de navigation de courte durée Un but de l'invention est de fournir un capteur ayant des performances et un coût adaptés à de telles ap- plications. A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un capteur de rotation inertiel comprenant une embase sur laquelle est monté un résonateur hémisphérique vibrant associé à des transducteurs définissant au moins deux voies de commande et deux voies de détection qui sont reliées à au moins un circuit de traitement, le capteur comprenant une enceinte de confinement sous vide montée sur l'embase pour entourer le résonateur. Le résonateur comprend une calotte et un pied qui sont réalisés de manière monobloc en métal. Les transducteurs comportent des électrodes qui sont disposées en regard d'un bord annulaire plan de la calotte et qui s'étendent sensiblement dans un plan parallèle au bord annulaire. Un résonateur monobloc en métal est facile à usiner et n'a pas besoin d'être recouvert d'une couche conductrice. L'absence d'assemblage entre le pied et la calotte permet également d'obtenir une raideur et une élimination des jeux entre ceux-ci dans la zone de leur liaison. Un résonateur en métal est en outre partielle-ment immunisé contre les problèmes de migration de charges en surface qu'on rencontre dans les résonateurs en silice et qui perturbent la distribution du champ électrique. Un résonateur en métal est de plus peu sujet aux problèmes d'amortissement électrique (pertes par effet joule résultant de la circulation de courants électriques provoqués par l'action combinée de la vibration et de la tension de polarisation). Ceci compense en partie l'amortissement mécanique plus important du résonateur en métal et permet au capteur d'avoir des performances suf- fisantes dans les applications visées. La réalisation d'électrodes planes et le raccordement de celles-ci au circuit de traitement sont relativement simples. De préférence, le circuit de traitement est monté à l'extérieur de l'enceinte sur une face de l'embase op-posée à l'enceinte. L'absence d'enceinte de confinement sous vide sur le circuit de traitement permet de simplifier la structure du capteur sans compromettre les performances attendues de celui-ci. Selon un premier mode de réalisation, le résonateur est solidaire d'une plaque porte-électrodes fixée sur l'embase par l'intermédiaire de pilotis et, avantageusement, la plaque porte-électrodes est en céramique, de préférence en céramique multicouche co-cuite. Ce mode de réalisation est relativement simple. Selon un deuxième mode de réalisation, le résonateur possède un pied central fixé directement sur l'embase qui est pourvue d'au moins une électrode de chaque transducteur et, avantageusement, l'embase est en cé- ramique, de préférence en céramique multicouche co-cuite. Ce mode de réalisation est encore plus simple que le premier. De préférence, le métal a un coefficient de dilatation linéaire compris entre 4 ppm/°C et 10 ppm/°C envi- ron. Ceci permet l'obtention de relativement bonnes performances eu égard à la structure du capteur. Avantageusement, le métal est issu du groupe comprenant . - le titane, - un alliage de titane, - un alliage de fer et de nickel, - un alliage de fer, de nickel et de cobalt. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limita-tifs de l'invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective avec écorché d'un capteur conforme à un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est vue schématique en coupe selon le plan II de la figure 1, - la figure 3 est une vue analogue à la figure 1 d'un capteur conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 est une vue schématique en coupe selon le plan IV de la figure 3. En référence aux figures 1 et 2, le capteur conforme à l'invention comprend une embase 1 sur laquelle est fixée via des pilotis 2 une plaque porte-électrodes 3. L'embase 1 et la plaque porte-électrodes 3 sont fabriquées en céramique multicouche co-cuite de type HTCC. Le capteur comprend en outre un résonateur généralement désigné en 4 comportant une calotte 5 hémisphérique ayant un pôle 5.1 à partir duquel s'étend axiale-ment un pied 6 ayant une extrémité libre fixée à la plaque porte-électrodes 3. La calotte 5 possède un bord an- nulaire libre 5.2, de forme plane, s'étendant en regard de la plaque porte-électrodes 3 et parallèlement à celle-ci. Le pied 6 et la calotte 5 sont issus de matière et réalisé ici par usinage d'un bloc de métal pour obtenir une structure monobloc du résonateur. Le résonateur est ainsi réalisé en métal et, plus précisément, en un métal ayant un coefficient de dilatation linéaire compris entre 4 ppm/°C et 10 ppm/°C environ. Le métal utilisé est ici le titane. La plaque porte-électrodes 3 porte des électrodes qui sont disposées en regard du bord annulaire libre 5.2 de la calotte 5 et s'étendent sensiblement dans un plan parallèle au bord annulaire libre 5.2. Le pied 6 et les électrodes de la plaque porte-électrodes 3 sont reliés à un circuit de traitement 7 de manière que le bord annulaire libre 5.2 de la calotte 5 et les électrodes forment des transducteurs électrostatiques définissant deux voies de commande et deux voies de détection, chaque transducteur jouant sélectivement le rôle d'actionneur et de détecteur. Le circuit de traite- ment 7 est fixé sur l'embase 1 sur une face de cette dernière opposée à la plaque porte-électrodes 3 et au résonateur 4. Les composants du circuit de traitement sont connectés par soudure ultrasonique selon un procédé de soudage connu en lui-même de type « bail bonding » ou « wedge bonding ». Une enceinte 8 de confinement sous vide est fixé sur l'embase 1 d'un côté de celle-ci opposé au circuit de traitement 7 de manière à entourer le résonateur 7 et la plaque porte-électrodes 3. Par « sous vide », on entend une atmosphère contrôlée comportant un minimum de parti-cules pouvant contrarier le fonctionnement des transducteurs électrostatiques. Le fonctionnement du capteur est classique et ne sera pas décrit ici. Les éléments identiques ou analogues à ceux décrits précédemment porteront la même référence numérique dans la description qui suit du deuxième mode de réalisation. En référence aux figures3 et 4, le capteur corn- prend comme précédemment une embase 1, un résonateur 4, un circuit de traitement 7 et une enceinte 8. Toutefois, dans ce mode de réalisation, les électrodes sont disposées directement sur l'embase 1 qui joue le rôle de plaque porte-électrodes. Le pied 6 du résonateur 4 est directement fixé à l'embase 1. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, l'embase et/ou la plaque porte-électrodes peuvent être réalisées en des matériaux différents de ceux mentionnés. L'embase et/ou la plaque porte-électrodes peuvent par exemple être en métal, les élec- trodes et les conducteurs de liaison devant alors être électriquement isolés de l'embase et de la plaque porte-électrodes. Le métal du résonateur peut être différent du ti- tane et peut être un métal ou un alliage de métaux appar- tenant notamment à la quatrième période du tableau de Mendeleiev, par exemple : - un alliage de titane, - un alliage de fer et de nickel, - un alliage de fer, de nickel et de cobalt du type de celui dénommé KOVAR. La plaque porte-électrodes ou l'embase peuvent comporter une ou plusieurs électrodes de garde. Le circuit de traitement pourrait être reçu dans une enceinte de confinement ou, avantageusement, enrobé dans une résine pour éviter notamment la présence d'eau liquide sur le circuit de traitement REVENDICATIONS1. Capteur de rotation inertiel comprenant une embase (1) sur laquelle est monté un résonateur (4) hé- misphérique vibrant associé à des transducteurs définissant au moins deux voies de commande et deux voies de détection qui sont reliées à au moins un circuit de traite-ment (7), le capteur comprenant une enceinte (8) de confinement sous vide montée sur l'embase pour entourer le résonateur, caractérisé en ce que le résonateur comprend une calotte (5) et un pied (6) qui sont réalisés de manière monobloc en métal, en ce que les transducteurs comportent des électrodes qui sont disposées en regard d'un bord annulaire plan (5.2) de la calotte et qui s'étendent sensiblement dans un plan parallèle au bord annulaire. 2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel le circuit de traitement est monté à l'extérieur de l'enceinte sur une face de l'embase opposée à l'enceinte. 3. Capteur selon la revendication 1, dans lequel le résonateur (4) est solidaire d'une plaque porte-électrodes (3) fixée sur l'embase par l'intermédiaire de pilotis (2). 4. Capteur selon la revendication 1, dans lequel la plaque porte-électrodes (3) est en céramique, de préférence en céramique multicouche co-cuite. 5. Capteur selon la revendication 1, dans lequel le résonateur (4) possède un pied central (6) fixé directement sur l'embase (1) qui est pourvue d'au moins une électrode de chaque transducteur. 6. Capteur selon la revendication 1, dans lequel l'embase (1) est en céramique, de préférence en céramique multicouche co-cuite. 7. Capteur selon la revendication 1, dans lequel le métal a un coefficient de dilatation linéaire comprisentre 4 ppm/°C et 10 ppm/°C environ. 8. Capteur selon la revendication 1, dans lequel le métal est issu du groupe comprenant : - le titane, - un alliage de titane, - un alliage de fer et de nickel, - un alliage de fer, de nickel et de cobalt. 9. Capteur selon la revendication 1, dans lequel le circuit électronique (7) a des composants connectés par soudure ultrasonique de type « bail bonding » ou « wedge bonding ».