Brevet FR2952428A1 — publié le 20110513

Capteur inertiel La présente invention concerne un capteur inertiel comprenant : - un élément sensible propre à vibrer ; - un porte-électrodes apte à porter des électrodes d'excitation et des électrodes de détection de la vibration de l'élément sensible ; et - des éléments de support du porte-électrodes. Les éléments de support du porte-électrodes comportent une embase et un élément de découplage interposé entre l'embase et le porte-électrodes. L'élément de découplage est propre à découpler le porte-électrodes et l'élément sensible par rapport aux variations dimensionnelles de l'embase, engendrées par les variations thermiques auxquelles le capteur est soumis. Il comprend par exemple des tiges de support du porte-électrodes propres à traverser l'embase de part en part pour transporter des signaux entre les électrodes et un circuit électronique, comme décrit dans la demande de brevet FR2805039. Un tel capteur est généralement fixé à un support appelé coeur inertiel. Ce coeur inertiel est ensuite intégré dans un système de mesure inertielle qui équipe un porteur susceptible de vibrer ou de recevoir un choc Le capteur étant solidaire du coeur inertiel, il peut subir ces vibrations lors de l'utilisation du porteur. Le capteur inertiel étant par définition sensible aux vibrations, il conviendra d'une part d'atténuer les environnements mécaniques extérieurs au capteur, généralement à l'aide d'une suspension, et de ne pas amplifier ce résidu de vibrations par des modes de structure du capteur lui-même qui seraient présents dans sa bande passante. Dans le cas particulier d'un capteur vibrant, il est à noter qu'une auto-perturbation du capteur est possible si les modes de structure ne sont pas judicieusement placés, le capteur étant par construction extrêmement sensible autour de sa fréquence de fonctionnement ; une perturbation peut être créée si une partie de la vibration utile entretient un mode « parasite ». Pour ne pas amplifier les vibrations provenant du porteur, l'embase d'un tel capteur est généralement réalisée dans un matériau raide. Par exemple, l'embase est une plaque métallique de 10 mm d'épaisseur ayant une masse d'environ 70 g. En conséquence, le capteur inertiel est lourd et encombrant. Généralement, les tiges de support traversent l'embase de part en part et sont fixées de manière étanches à l'embase par enverrage, c'est-à-dire par fonte d'une goutte de verre entre la tige de support et un orifice pratiqué dans l'embase. 10 Il n'est pas possible de maîtriser exactement l'endroit où les gouttes de verre fondu vont se solidifier en refroidissant. Or, la fréquence de vibration des tiges de support est fonction de l'endroit où les tiges de support sont fixées à l'embase. Cette fréquence de vibration influe sur la mesure d'angle de rotation effectuée par le capteur inertiel lorsque ce dernier est soumis à des vibrations ou des chocs. 15 Généralement, dans un capteur inertiel vibrant, cette fréquence de vibration est de plusieurs kHz (par exemple 3 kHz) et doit être maîtrisée avec précision, par exemple à plus ou moins 100 Hz. Comme la position de solidification des gouttes de verre ne peut pas être maîtrisée avec précision, la fréquence de vibration de chaque tige de support peut 20 être différente. En conséquence, elle ne peut pas être corrigée par une électronique de traitement de façon aisée. En outre, il est difficile d'obtenir une bonne étanchéité de l'embase compte tenu du nombre de tiges de support traversant celle-ci et de la difficulté d'obtenir un enverrage 25 parfait. L'invention a notamment pour but de proposer un capteur inertiel léger et peu encombrant. 30 L'invention a également pour but de proposer un capteur inertiel permettant d'obtenir une mesure d'angle de rotation plus précise.5 L'invention a en outre pour but de proposer un capteur inertiel ayant une embase étanche qui est traversée par des connexions électriques. A cet effet, l'invention a pour objet un capteur inertiel comprenant : - un élément sensible propre à vibrer ; - un porte-électrodes apte à porter des électrodes d'excitation de l'élément sensible et de détection de la vibration de l'élément sensible ; - des éléments de support du porte-électrodes ; le capteur étant remarquable en ce que les éléments de support comportent une embase réalisée dans un matériau ayant une masse volumique inférieure à 5 kg.dm-3, et un rapport racine carrée du module d'Young divisé par ladite masse volumique, supérieur à 9 Gpali2.dm3i2.kg-v2. Suivant des modes particuliers de réalisation, le capteur inertiel comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le matériau dans lequel est réalisé l'embase présente une masse volumique étant comprise entre 1, 5 kg.dm-Set 5 kg.dm 3, et un rapport racine carrée du module d'Young divisé par ladite masse volumique compris entre 9 Gpali2.dm3i2.kg-v2 et 12 GpaU2.dm3"2 kg 1/2 ; - ledit matériau comprend du béryllium ; - ledit matériau comprend de la céramique ; - la céramique est de l'alumine ; - la céramique est cocuite ; - l'embase est réalisée par cocuisson à haute température de couches de céramique et de connexions électriques intégrées ; - l'embase est réalisée par cocuisson à basse température de couches de céramique et de connexions électriques intégrées ; - le capteur inertiel selon l'invention comporte des connexions électriques intégrées à l'embase, et un circuit électronique relié électriquement aux connexions électriques ; - les éléments de support comprennent des tiges de support conductrices interposées entre l'embase et le porte-électrodes, lesdites tiges de support étant d'une part, brasées à des contacts électriques des connections électriques et, d'autre part, reliées aux électrodes d'excitation et de détection du porte-électrodes ; - le capteur inertiel selon l'invention comporte un boîtier de protection du circuit électronique soudé à l'embase ; - l'embase comporte de manière intégrée un ensemble de broches débouchant à l'intérieur du boîtier et un ensemble broches supplémentaires débouchant à l'extérieur du boîtier, et dans lequel au moins une partie desdites connections électriques de l'embase est à apte à relier l'ensemble de broches à l'ensemble de broches supplémentaires ; - le capteur selon l'invention est propre à être fixé à un coeur inertiel, ledit capteur comportant : - un anneau de garde déposé sur le porte-électrodes, - des moyens de liaison électrique entre ledit anneau de garde et au moins l'un parmi le circuit électronique et ledit boîtier; lesdits moyens de liaison électrique étant reliés à la masse électrique du coeur inertiel ; - le capteur inertiel selon l'invention est propre à être fixé à un coeur inertiel, ledit capteur comportant un capot fixé à l'embase; ledit capot étant relié à la masse électrique 15 du coeur inertiel ; - ledit capteur inertiel comporte au moins un raccord électrique élastique selon une direction axiale disposé entre le porte-électrodes et l'embase ; - ledit capteur inertiel est propre à être fixé à un coeur inertiel par quatre éléments de fixation. 20 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement au titre d'exemple et faite en se référant aux dessins, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un capteur inertiel selon l'invention ; 25 - la figure 2 est une vue en coupe axiale du capteur inertiel illustré sur la figure 1 ; - la figure 3 est une vue du dessus de l'embase du capteur inertiel illustré sur la figure 1 ; et - la figure 4 est une vue du dessous de l'embase illustrée sur la figure 1, lorsque celle-ci est dépourvue de capot et de circuit électronique. 30 L'invention est décrite par rapport à un capteur gyroscopique à résonateur en cloche ou en calotte. Toutefois, elle pourrait également être appliquée à un autre type de capteur inertiel et notamment à un accéléromètre. En référence aux figures 1 et 2, le capteur inertiel 2 selon l'invention comprend : - un élément sensible, dit ci-après résonateur 4, qui peut être notamment de forme hémisphérique, comme illustré, et qui possède un axe 6 pour sa fixation ; - une pièce portant les électrodes nécessaires à la mise en oeuvre du résonateur 4, dite ci-après porte-électrodes 8, dans laquelle est ancré l'axe 6 du résonateur 4 ; - une embase 10 permettant la fixation du capteur inertiel contre un support, appelé coeur inertiel 11 ; et - un capot 12 fixé à l'embase 10 et formant avec celle-ci une chambre étanche de vide 14 contenant le porte-électrodes 8 et le résonateur 4. Un getter est agencé dans la chambre 14 pour adsorber les gaz ou particules résiduels, susceptibles de nuire à la qualité du vide de ladite chambre étanche. Le porte-électrodes 8 peut avoir différentes configurations. Il peut être plan, avec des électrodes placées en face de la tranche 15 du résonateur 4, comme illustré sur la figure 2. Il peut également être hémisphérique, avec des électrodes placées en regard de la face interne du résonateur. Cette configuration n'est pas illustrée. Le porte-électrodes 8 est porté par huit tiges de support conductrices 16 portées par l'embase 10. Les tiges de support 16 sont propres à se déformer élastiquement dans le cas de dilatation thermique différentielle du porte-électrodes 8 avec l'embase 10 ou dans le cas d'accélération ou de choc parallèle au plan de l'embase 10. L'extrémité inférieure des tiges de support 16 est brasée à l'embase 10. Ce brasage est réalisé entre deux surfaces planes à un endroit parfaitement défini de sorte qu'il est possible de connaître de manière précise les fréquences de vibration des tiges de support de façon à éliminer leur vibration parasite par filtrage numérique. La tranche 15 ainsi que le bord extérieur 15A du résonateur 4 sont métallisés. Ils sont propres à être mis à un potentiel prédéfini. A cet effet, la surface intérieure du résonateur 4 ainsi que l'axe 6 comportent une liaison électrique 18 vers la tranche 15. 30 La liaison électrique 18 est reliée à un premier raccord électrique 28 situé sensiblement sous l'axe 6. Ce premier raccord électrique 28 est élastique selon la direction axiale de l'axe 6 du résonateur et selon une direction perpendiculaire à celle-ci. Comme les tiges de support 16 sont propres à se déformer de manière symétrique de part et d'autre de l'axe 6, la déformation selon la direction axiale du premier raccord électrique 28 permet de compenser d'éventuelles modifications de distance entre le porte-électrodes 8 et l'embase 10 engendrées par des accélérations, des chocs ou une dilatation thermique différentielle entre le porte-électrodes 8 et l'embase 10. Ce premier raccord électrique 28 est, par exemple, constitué par un plot 30 fixé sur l'embase 10, et un ressort 32 fixé sur le plot 30 et mis en contact de la liaison électrique 18. Des électrodes 20 d'excitation du résonateur 4 et de détection de la vibration du résonateur 4 ainsi qu'un anneau de garde (non représenté) relié à une électrode 20, sont déposés sur le porte-électrodes 8. En particulier, chaque électrode 20 s'étend à la fois sur une face principale 22 du porte-électrodes, sur la tranche 24 et sur une autre face principale 26 opposée à la face principale 22. Les tiges de support 16 sont fixées aux électrodes 20 du porte-électrodes, par exemple, par collage conducteur ou par brasage. Un second raccord électrique 29, similaire au premier raccord électrique 28, est 25 apte à connecter l'anneau de garde du porte-électrodes 8 à l'embase 10. Les électrodes d'excitation et de détection 20 s'étendent en regard de la tranche 15 du résonateur. Ils comprennent une partie en forme de T, s'étendant vers la bordure de l'embase 10. L'anneau de garde comporte une partie centrale s'étendant à l'intérieur des 30 électrodes d'excitation et de détection 20, au moins une partie périphérique s'étendant à l'extérieur des électrodes d'excitation et de détection 20 et au moins une liaison s'étendant entre les électrodes d'excitation et de détection 20 pour relier la partie centrale à la partie périphérique. Les lignes de champs situées entre les électrodes d'excitation et de détection 20 et la tranche 15, permettent de mesurer les vibrations du résonateur. Les lignes de champs situées de chaque côté de la tranche 15 du résonateur sont déviées vers la partie centrale et la partie périphérique de l'anneau de garde. L'embase 10 est munie de quatre éléments 33 de fixation au coeur inertiel 11, par exemple constitués par des orifices lisses ou taraudés. En variante, l'embase 10 est bridée sur le coeur inertiel 11. Selon une autre variante, des trous lisses ou taraudés sont pratiqués dans l'embase 10 pour réaliser la fixation du capteur sur le coeur inertiel. En variante, l'embase 10 est munie d'un nombre différent d'éléments 33 de fixation au coeur inertiel 11. L'embase 10 est réalisée dans un matériau ayant une masse volumique inférieure à 5 kg.dm-3, et un rapport racine carrée du module d'Young divisé par ladite masse 15 volumique supérieur à 9 Gpav2.dm3i2.kg-1/2. p 9GPa1U . dm3i2 , kg-v2 Dans laquelle E est le module d'Young du matériau considéré et p sa masse volumique. De préférence, la masse volumique dudit matériau est comprise entre 1, 5 et 5, et le rapport racine carrée du module d'Young divisé par ladite masse volumique est compris entre 9 Gpal/2.dm3'2.kg"1ie et 12 Gpali2.dm3i2.kg-v2. 1,5kg • dm-3 L'embase 10 présente avantageusement une épaisseur d'environ 4 mm et une masse d'environ 20 g. En particulier, l'embase 10 est réalisée par cocuisson de couches de céramique, de 15 premières connexions électriques 34 et de secondes connexions électriques 35 et de broches. De préférence, la céramique est cocuite à haute température. 20 En variante, la céramique est cocuite à basse température. Les procédés utilisés pour la fabrication d'une embase en céramique cocuite à haute température et à basse température sont généralement appelés respectivement en anglais « High Temperature Co-fired Ceramic », ou « HTCC », et « Low Temperature Co-fired 25 Ceramic », ou « LTCC ». Les premières connexions électriques 34 relient les huit tiges de support 16, le premier raccord électrique 28 et le second raccord électrique 29 à un circuit électronique 36. Ce circuit électronique 36 est connecté sur une face 38 de l'embase dite 30 ci-après face inférieure 38, opposée à une face 40 en regard du porte-électrodes, dite ci-après face supérieure 40. En référence aux figures 3 et 4, les premières connexions électriques 34 comportent huit contacts électriques 42 débouchant sur la face supérieure 40 de l'embase. Ces contacts électriques 42 sont reliés électriquement à un premier ensemble 44 de huit broches débouchant sur la face inférieure 38. Les contacts électriques 42 sont brasés aux huit tiges de support 16. Le premier ensemble 44 de huit broches est relié au circuit électronique 36, par connexion électrique, brasage ou soudure par ultrason (appelé en anglais « ball-bonding » ou « wedge-bonding »). Les premières connexions électriques 34 comportent un contact électrique 46 débouchant sur la face supérieure 40. Le contact électrique 46 est brasé au second raccord électrique 29, et est relié électriquement à quatre broches 48 débouchant sur la face inférieure 38. Les quatre broches 48 sont connectées au circuit électronique 36. Les quatre broches 48 sont également aptes à porter la carte électronique 36 à une distance prédéfinie de l'embase 10 de manière à pouvoir disposer des composants électroniques de part et d'autre de la carte électronique. En variante, les broches 48 sont remplacées par des liaisons électriques et la carte électronique est directement fixée sur la face 38, par exemple par collage. En outre, les premières connexions électriques 34 comportent un contact électrique 50 débouchant sur la face supérieure 40. Ce contact électrique 50 est relié électriquement à une broche 52 débouchant sur la face inférieure 38. Le contact électrique 50 est brasé au premier raccord électrique 28. La broche 52 est destinée à recevoir une haute tension qui sera appliquée à la tranche 15 du résonateur, via le premier raccord électrique 38. Les secondes connexions électriques 35 intégrées à l'embase 10 (représentées schématiquement sur la figure 4) comportent un deuxième 54 et un troisième 56 ensembles de broches débouchant sur la face inférieure 38 de l'embase. Les broches du deuxième ensemble 54 sont reliées électriquement et hermétiquement aux broches du troisième ensemble 56. Les broches du deuxième ensemble 54 sont raccordées au circuit électronique 36. Les broches du troisième ensemble 56 sont destinées à être connectées à un connecteur extérieur au capteur inertiel 2. En variante, une partie des broches de l'ensemble 56 peuvent aussi servir au maintien mécanique dudit connecteur extérieur contre l'embase 10. Le capteur inertiel 2 comporte en outre un boitier 58 de protection du circuit électronique 36. Ce boitier 58 comporte un cadre 60 brasé sur la face inférieure 38 de l'embase, et un couvercle 62 fixé sur le cadre 60. Ce boitier 58 permet de maintenir le circuit électronique 36 dans une atmosphère contrôlée. Le cadre 60 du boîtier 58 s'étend uniquement sur une partie de la face inférieure 38 de l'embase. Le boîtier 58 est propre à contenir le circuit électronique 36, le premier 44 et le deuxième 54 ensembles de broches ainsi que les broches 48. Le troisième ensemble de broches 56 ainsi que la broche 52 sont disposés à l'extérieur du boîtier 58. En variante, les ensembles de broches 44, 54 et 56 sont remplacés par des plages métallisées. Des moyens de liaison électrique 20, 29, 33, 34, 35, 48 permettant de relier la masse électrique du capteur inertiel 2 à la masse électrique du coeur 11. En particulier, un anneau de garde déposé sur le porte-électrodes 8, le circuit électronique 36, le boîtier 58, le capot 12, les deuxième 54 et troisième 56 ensembles de broches sont reliés à la masse électrique du coeur inertiel 11, par l'intermédiaire de certaines électrodes 20, du second raccord électrique 29, de certaines connexions électriques 34, 35, des éléments de fixation 33 et des broches 48. Ces éléments reliés à la masse « crée » une cage de Faraday » propre à garantir le fonctionnement du capteur inertiel dans un environnement comprenant des ondes électromagnétiques. Avantageusement, le capteur inertiel 2 peut être facilement testé par des connexions, notamment sur le premier ensemble de broches 44, lorsque le couvercle 62 n'est pas monté sur le cadre 60. Puis, lorsque le capteur inertiel est testé, le circuit électronique 36 est connecté aux broches de l'embase et le couvercle 62 est fixé sur le cadre 60. Avantageusement, l'embase est fabriquée d'une seule pièce et les tiges de support 16 ne traversent pas l'embase 10 de sorte que celle-ci est totalement étanche. Avantageusement, le brasage de l'extrémité des tiges de support 16 sur la face 5 supérieure 40 plane de l'embase permet de mieux maîtriser les modes de vibration des tiges de support. Avantageusement, l'utilisation d'une embase en céramique cocuite permet de positionner librement l'ensemble de broches 44 de manière à réduire la surface des cartes 10 électroniques 36. REVENDICATIONS1.- Capteur inertiel (2) comprenant : - un élément sensible (4) propre à vibrer ; - un porte-électrodes (8) apte à porter des électrodes (20) d'excitation de l'élément sensible (4) et de détection de la vibration de l'élément sensible (4) ; - des éléments de support (10, 16) du porte-électrodes (8) ; caractérisé en ce que les éléments de support (10, 16) comportent une embase (10) réalisée dans un matériau ayant une masse volumique inférieure à 5 kg.dm 3, et un rapport racine carrée du module d'Young divisé par ladite masse volumique, supérieur à 9 Gpall2.dm3"2 kg "2 2.- Capteur inertiel (2) selon la revendication 1, dans lequel ledit matériau présente une masse volumique étant comprise entre 1, 5 kg.dm Set 5 kg.dm-3, et un rapport racine carrée du module d'Young divisé par ladite masse volumique compris entre 9 Gpall2.dm3"2 kg-U2 et 12 Gpall2.dm3"2 kg v2 3.- Capteur inertiel (2) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel ledit matériau comprend du béryllium. 4.- Capteur inertiel (2) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel ledit matériau comprend de la céramique. 5.- Capteur inertiel (2) selon la revendication 4, dans lequel la céramique est de l'alumine. 6.- Capteur inertiel (2) selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, dans lequel la céramique est cocuite. 7.- Capteur inertiel (2) selon la revendication 6, dans lequel l'embase (10) est réalisée par cocuisson à haute température de couches de céramique et de connexions électriques (34) intégrées. 8.- Capteur inertiel (2) selon la revendication 6, dans lequel l'embase (10) est réalisée par cocuisson à basse température de couches de céramique et de connexions électriques (34) intégrées. 9.- Capteur inertiel (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, qui comporte des connexions électriques (34, 35) intégrées à l'embase (10), et un circuit électronique (36) relié électriquement aux connexions électriques (34, 35). 10.- Capteur inertiel (2) selon la revendication 9, dans lequel les éléments de support (10, 16) comprennent des tiges de support (16) conductrices interposées entre l'embase (10) et le porte-électrodes (8), lesdites tiges de support (16) étant d'une part, brasées à des contacts électriques (42, 46) des connections électriques (34, 35) et, d'autre part, reliées aux électrodes d'excitation et de détection (20) du porte-électrodes (8). 11.- Capteur inertiel (2) selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, qui comporte un boîtier (58) de protection du circuit électronique (36) soudé à l'embase (10). 12.- Capteur inertiel (2) selon la revendication 11, dans lequel l'embase (10) comporte de manière intégrée un ensemble de broches (54) débouchant à l'intérieur du boîtier (58) et un ensemble broches supplémentaires (56) débouchant à l'extérieur du boîtier (58), et dans lequel au moins une partie desdites connections électriques (34, 35) de l'embase (10) est à apte à relier l'ensemble de broches (54) à l'ensemble de broches supplémentaires (56). 13.- Capteur inertiel (2) selon la combinaison des revendications 9 et 12, ledit capteur (2) étant propre à être fixé à un coeur inertiel (11), ledit capteur (2) comportant : - un anneau de garde déposé sur le porte-électrodes (8), - des moyens de liaison électrique (20, 29, 34, 35, 48) entre ledit anneau de garde, et au moins l'un parmi le circuit électronique (36) et ledit boîtier (58) ; lesdits moyens de liaison électrique (20, 29, 34, 35, 48) étant reliés à la masse électrique du coeur inertiel (11). 14.- Capteur inertiel (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, ledit capteur (2) étant propre à être fixé à un coeur inertiel (11), ledit capteur (2) comportant un capot (12) fixé à l'embase (10) ; ledit capot (2) étant relié à la masse électrique du coeur inertiel (11). 15.- Capteur inertiel (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, qui comporte au moins un raccord électrique (28, 29) élastique selon une direction axiale disposé entre le porte-électrodes (8) et l'embase (10). 16.- Capteur inertiel (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, ledit capteur (12) étant propre à être fixé à un coeur inertiel (11) par quatre éléments de fixation (33).