Brevet FR3083606A1 — publié le 20200110

GYROMETRE MICROMECANIQUE RESONANT PERFORMANT A ENCOMBREMENT REDUIT DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La présente invention se rapporte à un gyromètre micromécanique résonant performant à encombrement réduit. Un gyromètre permet de mesurer une vitesse angulaire. Il comporte au moins une masse mobile qui est mise en mouvement sous l'effet des forces de Coriolis, en mesurant ce déplacement il est possible de déterminer la vitesse angulaire à laquelle est soumis le gyromètre, et donc la vitesse angulaire à laquelle est soumis le dispositif le portant. La masse mobile est suspendue par rapport au support par des moyens de suspension type ressort s'étendant entre les bords de la masse et le support, permettant des mouvements de la masse mobile dans le plan du capteur. Parmi les différents types de gyromètre, il existe les gyromètres dynamiques ou résonants. La masse mobile des gyromètres résonants est mise en vibration dans une direction, dite direction d'excitation, et, sous l'effet des forces de Coriolis, la masse est mise en mouvement dans une autre direction, dite direction de détection. En mesurant le déplacement dans la direction de détection, on détermine la vitesse angulaire. La masse mobile présente alors deux modes, un mode d'excitation selon la direction d'excitation et un mode de détection selon la direction de détection, La force Fsense s'appliquant à la masse dans la direction de détection s'écrit : Fsense = -2MnAdrive(Odrive 51n(COdrive0 (I) avec : m la masse effective du résonateur, A drive l'amplitude de vibration du mode d'excitation, et COdrive la fréquence de vibration du mode de détection. 2 On constate que la force de détection est proportionnelle à la masse du résonateur, et donc à sa taille, et à l'amplitude de mouvement dans la direction d'excitation. En outre il est préférable que les fréquences des modes d'excitation et de détection soient proches ou identiques pour obtenir un couplage maximal et donc un déplacement dans la direction de détection important. Une masse mobile de masse importante se traduit en général par une surface importante dans le plan du capteur. En outre les moyens de suspension s'étendant latéralement par rapport à la masse mobile augmentent encore cet encombrement. 10 Or, plus la masse mobile présente une grande surface, plus le prix de revient du capteur est élevé. En outre, le nombre de capteurs réalisables par puce est réduit. A l'inverse, une miniaturisation de la masse mobile, outre les inconvénients liés à la diminution de la masse énoncés ci-dessus, provoque une 15 augmentation de la fréquence de résonance et une diminution de l'amplitude du mouvement de la masse mobile, ce qui entraine des difficultés pour la mesure du capteur et des contraintes pour la circuiterie de mesure. EXPOSÉ DE L'INVENTION C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir une 20 structure de gyromètre micromécanique résonant à détection dans le plan permettant une réduction de son encombrement tout en conservant de bonnes performances de détection. Le but énoncé ci-dessus est atteint par une structure de gyromètre micromécanique résonant à détection dans le plan comportant un support, une masse 25 mobile, la masse étant suspendue au support au moyen d'au moins un pied ancré au support et se reliant à la masse mobile sur une zone de celle-ci en regard du support. Selon l'invention, on localise principalement la masse de la partie mobile au niveau de la masse sismique et la raideur au niveau du ou des pieds, ce qui permet de découpler en partie la masse et la raideur, et de modifier la masse en agissant peu sur la 3 raideur et inversement. On peut alors fixer la raideur et la masse au moins en partie de manière indépendante. Ainsi il est possible de miniaturiser le gyromètre sans augmenter la fréquence de résonance et donc sans perte de performance, en comparaison des gyromètres de l'état de la technique. En outre, on peut avantageusement optimiser la masse de la masse mobile par rapport à l'emprise du capteur. En effet, les moyens suspendant la masse mobile sont disposés sous la masse, ils ne participent donc pas à l'encombrement dans le plan du gyromètre. Ainsi la surface et donc la masse de la masse mobile peuvent être maximisées. 10 Dans un exemple de réalisation particulièrement avantageux, les moyens d'excitation et de détection sont situés au niveau du pied, l'encombrement du gyromètre est alors celui de la masse. De manière préférée, les modes d'excitation et de détection sont deux modes résonants, et de manière encore préférée les deux modes ont des fréquences de 15 résonances proches ou égales. En d'autres termes, les moyens de suspension sont réalisés dans un plan différent du plan dans lequel la masse mobile est destinée à se déplacer, ce qui permet de rendre indépendant en partie la masse et la raideur. Ainsi les paramètres intervenant dans l'équation (I) et intervenant sur les performances du gyromètre sont découplés, et 20 peuvent être optimisés séparément, ce qui permet d'atteindre un bon compromis entre encombrement et performances de détection. De manière très avantageuse, les moyens de détection sont des moyens optiques, permettant d'offrir un gyromètre présentant une bande passante plus large que les moyens de détection électrique. 25 La présente invention a également pour objet un gyromètre micromécanique résonant comportant un support et une masse mobile apte à se déplacer dans un plan du gyromètre par rapport au support, des moyens d'excitation de ladite masse mobile dans une première direction et des moyens de détection du déplacement de ladite masse mobile dans une deuxième direction. Le gyromètre comporte également au moins un pied ancré sur le support par une première extrémité 4 et fixé à la masse mobile par une deuxième extrémité, et permettant à la masse mobile de se déplacer dans le plan du gyromètre le long des première et deuxième directions. De préférence, le au moins un pied présente une section dans le plan du gyromètre inférieure à la surface de la masse mobile dans le plan du gyromètre. Par exemple, la section du pied dans le plan du gyromètre est de l'ordre de 1/100ème de la surface de la masse mobile dans le plan du gyromètre. Le gyromètre peut comporter plusieurs pieds ancrés sur le support par une première extrémité et fixés à la masse mobile par une deuxième extrémité, et la somme des sections des pieds dans le plan du gyromètre est de préférence inférieure à la 10 surface de la masse mobile dans le plan du gyromètre. Le gyromètre comporte avantageusement un premier mode résonant à une première fréquence de résonance le long de la première direction et un deuxième mode résonant à une deuxième fréquence de résonance selon la deuxième direction. De manière préférée, les première et deuxième fréquences de résonance sont proches ou 15 égales. La masse mobile et le au moins un pied peuvent comporter au moins deux axes de symétries orthogonaux dans le plan du gyromètre, l'un des axes de symétrie étant aligné avec la première direction, et l'autre axe de symétrie étant aligné avec le deuxième axe. Dans un exemple de réalisation, les moyens d'excitation comportent au moins une électrode portée par le support et une électrode portée ou formée par le pied 20 ou la masse mobile, de sorte à appliquer une force électrostatique au pied ou à la masse mobile dans la première direction. Dans un autre exemple de réalisation, les moyens d'excitation comportent au moins une poutre en matériau piézoélectrique suspendue entre le substrat et le pied, orientée de sorte à appliquer une force mécanique au pied dans la 25 première direction. Dans un exemple de réalisation, les moyens de détection comportent un résonateur optique disposé par rapport à la masse mobile de sorte que la masse mobile se trouve au moins en partie dans le champ évanescent du résonateur optique au moins dans la deuxième direction, des moyens pour injecter un signal lumineux dans le 5 résonateur et des moyens pour collecter un signal lumineux sortant du résonateur optique. Avantageusement, la masse mobile comporte au moins un matériau présentant une masse volumique élevée, et le pied est en un matériau rigide. Dans un exemple avantageux, les moyens d'excitation et les moyens de détection sont situés au niveau du pied de sorte que la surface occupée par gyromètre soit égale à la surface de la masse mobile. Selon une caractéristique additionnelle avantageuse, le gyromètre comporte des moyens de réglage d'au moins la fréquence de l'un des modes, lesdits 10 moyens de réglage étant configurés pour appliquer une déformation mécanique au pied au moins pendant une mesure. Par exemple, les moyens de réglage comportent au moins une électrode portée par le support et une électrode portée ou formée par le pied ou la masse mobile, de sorte à appliquer une force électrostatique au pied ou à la masse mobile dans la première ou la deuxième direction. 15 La présente invention a également pour objet une méthode de mesure mettant en oeuvre un gyromètre selon l'invention, comportant : - la mise en mouvement de la masse mobile dans la première direction, - la mesure du déplacement de la masse mobile dans la deuxième 20 direction résultant des forces de Coriolis. La méthode de mesure peut comporter également une étape de réglage de la fréquence d'au moins l'un des modes avant l'étape a). Cette étape de réglage peut comporter la déformation mécanique du pied pendant toute la durée de la mesure. A à la fin de l'étape de réglage, les deux modes ont de préférence la même fréquence de 25 résonance. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels: 6 - la figure 1A est une représentation schématique en perspective d'un exemple de réalisation d'un gyromètre selon l'invention représenté partiellement, - la figure 1B est une vue de côté du gyromètre de la figure 1A la masse étant en mouvement, - la figure 2 est une représentation schématique en perspective d'un autre exemple de réalisation d'un gyromètre selon l'invention représenté partiellement, - la figure 3A est une représentation schématique en perspective d'un autre exemple de réalisation d'un gyromètre selon l'invention représenté partiellement, - la figure 3B une représentation schématique vue de côté et vue de 10 dessus d'un autre exemple de réalisation d'un gyromètre selon l'invention comportant plusieurs pieds, - la figure 4 est une vue de dessus représentées schématiquement d'un gyromètre selon l'invention avec un exemple de moyens d'excitation, - les figures 5, 6 et 7 sont des vues de dessus représentées 15 schématiquement de gyromètres selon l'invention comportant des moyens de détection du déplacement de la masse selon l'axe Y selon trois exemples de réalisation, - la figure 8 une vue de dessus représentées schématiquement d'un gyromètre selon l'invention avec un exemple de moyens de réglage de la fréquence de l'un des modes, 20 - les figures 9A à 9G sont des représentations schématiques d'éléments obtenus au cours des différentes étapes d'un exemple de procédé de réalisation d'un gyromètre selon l'invention, - la figure 10 est une vue de dessus d'un accéléromètre de l'état de la technique. 25 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le gyromètre est réalisé sous forme de système microélectromécanique ou MEMS (Microelectromechanical system en terminologie anglo-saxonne). Sur la figure 1A, on peut voir un exemple de gyromètre G1 selon l'invention. 7 Le gyromètre G1 comporte un support 2, une masse mobile 4 et des moyens de suspension 6 de la masse par rapport au support. Les moyens de suspension 6 sont tels que la masse mobile 4 se déplace principalement dans le plan XY du capteur. Dans cet exemple de réalisation, les moyens de suspension 6 comportent un pied ancré sur le support par une première extrémité longitudinale 6.1 et fixé à la masse 4 par une deuxième extrémité longitudinale 6.2. Le pied est fixé à la masse mobile 4 au niveau d'une face 4.1 de celle-ci en regard du support 2. Dans l'exemple représenté, la masse mobile 4 a une forme de parallélépipède rectangle, l'une des faces de plus grande surface étant en regard du 10 substrat, et le pied s'étend longitudinalement dans une direction Z orthogonale au plan XY. Dans cet exemple, le pied a une section circulaire dans le plan XY. Le pied est tel qu'il est apte à se déformer en flexion pour permettre à la masse de se déplacer et de vibrer dans le plan XY, d'une part sous l'action des moyens 15 d'excitation, et d'autre part sous l'effet des forces de Coriolis ft. Sur la figure 10, on peut voir un accéléromètre de l'état de la technique. Il comporte un cadre 300 suspendu par des ressorts 302 s'étendant latéralement entre le cadre 300 et le substrat 304, et une masse mobile 306 suspendue dans le cadre 300 par des ressorts 308 s'étendant latéralement entre la masse mobile 306 et le substrat 304. Le 20 cadre 300 et la masse mobile mobiles dans la direction d'excitation X et la masse mobile est mobile dans la direction de détection Y. Grâce à l'invention, la rigidité est réglée principalement par les caractéristiques du pied, tandis que la masse du résonateur est fixée principalement par les dimensions de la masse mobile. 25 En outre, le pied forme à la fois les moyens de suspension de la masse pour lui permettre de se déplacer dans la direction d'excitation sous l'action des moyens d'excitation, et de se déplacer dans la direction d'actionnement sous l'effet des forces de Coriolis, alors qu'un gyromètre de l'état de la technique tel que représenté sur la figure 10 requiert à la fois des moyens de suspension autorisant les mouvements de la masse 8 dans la direction d'excitation et des moyens de suspension autorisant les mouvements de la masse dans la direction de détection. Par exemple, la direction d'excitation est la direction X et la direction de détection est la direction Y. La masse du résonateur est principalement celle de la masse mobile, la masse du pied représentant une faible part de la masse du résonateur. L'ensemble masse et pied forme un résonateur ayant au moins deux modes de vibration orthogonaux. De manière avantageuse, le mode d'excitation et le mode de détection sont tous deux des modes de résonance, ainsi le déplacement de la masse dans la 10 direction de détection est amplifié. Dans une variante avantageuse, les fréquences de résonance des deux modes sont proches, par exemple la fréquence de résonance de chaque mode est contenue dans la bande passante de l'autre mode. Par exemple, si on considère fl la fréquence de résonance du mode 1 et 01 son facteur de qualité, et f2 la fréquence de résonance du mode 2 et Q2 son facteur 15 de qualité, alors on choisit de préférence Ifl - f21 REVENDICATIONS1. Gyromètre micromécanique résonant comportant un support (2) et une masse mobile (4) apte à se déplacer dans un plan du gyromètre par rapport au support (2), des moyens d'excitation (8) de ladite masse mobile (4) dans une première direction (X) et des moyens de détection (10, 110, 210) du déplacement de ladite masse mobile (4) dans une deuxième direction (Y), caractérisé en ce que le gyromètre comporte au moins un pied (6) ancré sur le support (2) par une première extrémité et fixé à la masse mobile (4) par une deuxième extrémité, et permettant à la masse mobile (4) de se déplacer dans le plan du gyromètre le long des première(X) et deuxième (Y) directions. 2. Gyromètre selon la revendication 1, dans lequel le au moins un pied (6) présente une section dans le plan du gyromètre inférieure à la surface de la masse mobile (4) dans le plan du gyromètre. 3. Gyromètre selon la revendication 2, dans lequel la section du pied (6) dans le plan du gyromètre est de l'ordre de 1/100ème de la surface de la masse mobile (4) dans le plan du gyromètre. 4. Gyromètre selon la revendication 1, 2 ou 3, comportant plusieurs pieds ancrés sur le support par une première extrémité et fixés à la masse mobile par une deuxième extrémité, et dans lequel la somme des sections des pieds dans le plan du gyromètre est inférieure à la surface de la masse mobile dans le plan du gyromètre. 5. Gyromètre selon l'une des revendications 1 à 4, comportant un premier mode résonant à une première fréquence de résonance le long de la première direction (X) et un deuxième mode résonant à une deuxième fréquence de résonance selon la deuxième direction (Y). 6. Gyromètre selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les première et deuxième fréquences de résonance sont proches ou égales. 20 7. Gyromètre selon la revendication 5 ou 6, dans lequel la masse mobile (4) et le pied (6) comportent au moins deux axes de symétries orthogonaux dans le plan du gyromètre, l'un des axes de symétrie étant aligné avec la première direction (X), et l'autre axe de symétrie étant aligné avec le deuxième axe (Y). 8. Gyromètre selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens d'excitation (8) comportent au moins une électrode (12) portée par le support (2) et une électrode portée ou formée par le pied (6) ou la masse mobile (4), de sorte à appliquer une force électrostatique au pied (6) ou à la masse mobile (4) dans la 10 première direction (X). 9. Gyromètre selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les moyens d'excitation comportent au moins une poutre en matériau piézoélectrique suspendue entre le substrat et le pied, orientée de sorte à appliquer une force mécanique 15 au pied dans la première direction (X). 10. Gyromètre selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de détection (210) comportent un résonateur optique (14) disposé par rapport à la masse mobile (4) de sorte que la masse mobile (4) se trouve au moins en 20 partie dans le champ évanescent du résonateur optique (14) au moins dans la deuxième direction (Y), des moyens pour injecter un signal lumineux dans le résonateur et des moyens pour collecter un signal lumineux sortant du résonateur optique. 11. Gyromètre selon l'une des revendications précédentes, dans 25 lequel la masse mobile (4) comporte au moins un matériau présentant une masse volumique élevée, et le pied est en un matériau rigide. 12. Gyromètre selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel les moyens d'excitation et les moyens de détection sont situés au niveau du pied de sorte 30 que la surface occupée par gyromètre soit égale à la surface de la masse mobile. 21 13. Gyromètre selon l'une des revendications précédentes, comportant des moyens de réglage (26) d'au moins la fréquence de l'un des modes, lesdits moyens de réglage étant configurés pour appliquer une déformation mécanique 5 au pied au moins pendant une mesure. 14. Gyromètre selon la revendication 13, dans lequel les moyens de réglage (26) comportent au moins une électrode (28) portée par le support (2) et une électrode portée ou formée par le pied (6) ou la masse mobile (4), de sorte à appliquer 10 une force électrostatique au pied (6) ou à la masse mobile (4) dans la première (Y) ou la deuxième (X) direction. 15. Méthode de mesure mettant en oeuvre un gyromètre selon l'une des revendications précédentes, comportant : 15 - la mise en mouvement de la masse mobile dans la première direction (X), - la mesure du déplacement de la masse mobile dans la deuxième direction résultant des forces de Coriolis. 20 16. Méthode de mesure selon la revendication 15, comportant une étape de réglage de la fréquence d'au moins l'un des modes avant l'étape a). 17. Méthode de mesure selon la revendication 16, dans laquelle l'étape de réglage comporte la déformation mécanique du pied pendant toute la durée 25 de la mesure. 18. Méthode de mesure selon la revendication 16 ou 17, dans laquelle à la fin de l'étape de réglage les deux modes ont la même fréquence de résonance.