Brevet FR3120688A1 — publié le 20220916

Un capteur angulaire inertiel comprend au moins trois résonateurs (R1-R3) identiques qui sont disposés symétriquement autour d’un axe sensible (A-A) du capteur, de sorte qu’un gyromètre qui est constitué à partir dudit capteur possède un fonctionnement intégrateur. Le capteur comprend en outre un élément de couplage (Ec) qui relie une portion vibrante de chaque résonateur aux portions vibrantes de tous les autres résonateurs du capteur. Des configurations préférées pour le capteur angulaire inertiel permettent d’obtenir des gyromètres intégrateurs à sensibilité élevée et à bas coût de production. Figure d’abrégé : Figure 6a GYROMETRE VIBRANT A STRUCTURE PLANE La présente invention concerne un capteur angulaire inertiel, ainsi qu’un gyromètre qui comprend un tel capteur. Elle fournit plusieurs modèles de gyromètres à structures planes qui sont réalisables par des procédés de gravure collective et qui procurent chacun un fonctionnement de gyromètre intégrateur. L’invention s’applique aussi bien à des matériaux piézoélectriques comme le cristal de quartz, qu’à d’autres matériaux cristallins qui sont usuels dans le domaine des microsystèmes, comme le silicium. De façon connue, il est possible de constituer un gyromètre à partir d’au moins une portion vibrante qui possède au moins deux modes distincts de vibration, lorsque ces deux modes sont susceptibles d’être couplés l’un à l’autre par une rotation qui est appliquée à l’au moins une portion vibrante. Le gyromètre comprend alors, en plus de la ou des portion(s) vibrante(s), des moyens d’excitation de l’un des deux modes de vibration, qui est appelé mode pilote, et des moyens de détection d’une amplitude de vibration de l’autre mode, qui est appelé mode détecteur. Pour les gyromètres dits intégrateurs, ce n’est pas la vitesse de rotation qui est mesurée directement, mais une valeur qui correspond à l’angle de rotation selon lequel le gyromètre a été tourné par rapport à un référentiel galiléen. Ce principe de fonctionnement est connu sous le terme d’«inertialité de la vibration d’un corps », et a été démontré par Léon Foucault en 1851 avec son pendule. Il s’agit de l’expression résultante des forces d’inertie qui ont été mises en évidence par Gustave Coriolis, lorsque ces forces d’inertie s’exercent sur un ou plusieurs résonateur(s) qui ne possède(nt) aucun axe privilégié de vibration. La mesure directe du résultat de l’intégration de la vitesse angulaire par rapport au temps peut être très avantageuse pour des applications à forte dynamique, et quand l’information de déviation angulaire est essentielle. Tel est le cas, notamment, des applications de navigation inertielle. De tels gyromètres intégrateurs bien connus utilisent des résonateurs hémisphériques ou des cloches, tels que théorisés par Lord Bryan en 1892 dans l’article «On a revolving cylinder or bell», Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, Volume VII, October 28, 1889 – May 30, 1892. Pour de telles configurations de résonateur, la rotation produit un entraînement partiel de la vibration de résonateur, qui résulte d’un transfert d’énergie vibratoire partiel entre deux modes du résonateur qui sont dégénérés. De façon connue, deux modes de vibration sont dits dégénérés lorsqu’ils correspondent à des catégories de déformations géométriques du résonateur qui sont distinctes, mais que ces modes possèdent une même valeur de fréquence de vibration. Dans toute la présente description, on désigne simplement par mode de vibration d’un résonateur ou d’un capteur angulaire inertiel un de ses modes propres de vibration, c’est-à-dire pour lequel une vibration qui est en cours dans ce mode continue sans se mélanger avec un autre mode propre de vibration du résonateur ou capteur, en l’absence de perturbation extérieure. Dans le cas d’un gyromètre, c’est la force de Coriolis qui produit un couplage entre deux modes propres, de sorte qu’une vibration qui est excitée selon l’un des deux modes propres est transférée partiellement ou totalement à l’autre mode propre. L’intensité de ce transfert d’énergie vibratoire constitue une mesure de la vitesse de rotation, ou de l’angle de rotation dans le cas d’un gyromètre intégrateur. Un autre exemple de gyromètre intégrateur est basé sur une poutre qui est destinée à vibrer en flexion, lorsque cette poutre est constituée d’un matériau isotrope et possède une section telle que son inertie de flexion est identique entre au moins deux directions de flexion qui sont différentes. Tel est le cas, notamment, lorsque la section de la poutre est circulaire, carrée ou même en triangle isocèle, et plus généralement lorsque la poutre ne présente pas d’axe privilégié de vibration de flexion, contrairement au cas d’une poutre à section rectangulaire. Le lecteur aura bien compris que toute dissymétrie de la poutre ou de son encastrement sur un support est susceptible de ruiner l’effet escompté, et que pour obtenir l’inertialité de la vibration, la portion vibrante doit pouvoir être considérée comme étant isolée du monde extérieur, c’est-à-dire que sa vibration ne dépende pas des conditions de fixation de la portion vibrante. En outre, il peut être nécessaire que le matériau de la portion vibrante présente une symétrie qui est adaptée par rapport à la vibration considérée. Pour des résonateurs en forme de microsystèmes, des structures planes sont nécessaires pour être réalisables facilement par des procédés de fabrication collective à partir d’une plaquette, ou «wafer» en anglais, du matériau sélectionné pour constituer le(s) résonateur(s) du gyromètre. Couramment, ce matériau est le silicium, monocristallin ou polycristallin, ou le cristal de quartz. Pour les résonateurs à base de silicium, des masses sont généralement mises en mouvement en utilisant des forces électrostatiques, et les mouvements ainsi générés sont généralement détectés en effectuant des mesures de capacité d’au moins un condensateur qui est formé entre une partie en mouvement et une partie fixe. Pour les résonateurs en matériau piézoélectrique, l’excitation utile d’une vibration par effet piézoélectrique et le signal utile qui est détecté ne sont plus constitués par des déplacements, mais par une contrainte mécanique ou une déformation. Il en résulte que des structures de résonateurs où la contrainte et la déformation sont réparties dans une zone étendue du résonateur sont plus adaptées pour un matériau piézoélectrique que des structures en forme de masses d’inertie non-déformables associées avec des ressorts, pour lesquelles les contraintes et déformations sont localisées uniquement dans les parties de matériau à fonction de ressort. Un gyromètre intégrateur à structure plane et en matériau piézoélectrique a été proposé dans l’article intitulé «The theory of a piezoelectric disc gyroscope”, J.S. Burdess & al., IEEE Transactions on Aerospace And Electronic Systems, 1986, Volume : AES-22, issue 4. Le résonateur qui est considéré dans cet article possède une forme de disque, et ses deux modes dégénérés de vibration sont sélectionnés par la conception des électrodes d’excitation et de détection. Un circuit électronique oscillant permet de suivre la précession naturelle de la vibration lorsque le résonateur est soumis à une rotation d’axe perpendiculaire au disque. Le principal inconvénient de ce gyromètre provient de la grande sensibilité du résonateur à ses conditions de fixation : la zone de fixation qui est située au centre du disque doit avoir une taille suffisante pour permettre une fixation efficace du résonateur, mais elle altère alors grandement les fréquences et les amortissements des deux modes de vibration utiles. Le plus souvent, la zone de fixation provoque une perte de la dégénérescence des deux modes, rendant difficile voire impossible le fonctionnement en gyroscope intégrateur. Des améliorations ont été proposées, par exemple dans FR 2 723 635 en utilisant des modes d’ordre supérieur, mais sans parvenir à une isolation suffisante du résonateur par rapport à son environnement. La forme en disque pour le résonateur a aussi été utilisée avec le matériau de silicium, en proposant un disque ajouré permettant d’insérer des moyens d’excitation par force électrostatique, et des moyens de détection capacitive des modes de vibration, comme décrit dans US 7,040,163. Mais comme pour le disque en matériau piézoélectrique, sa fixation en son centre ne permet pas d’obtenir une dégénérescence suffisante des modes de vibration, et nécessite de recourir à des techniques d’équilibrage et/ou de compensation électronique, qui sont complexes et coûteuses. D’autres structures vibrantes mettent en œuvre des masses indéformables qui sont reliées à des raideurs et des moyens de couplage entre les masses, comme par exemple celle décrite dans «Flat is not dead : current and future performance of Si-MEMS Quad Mass Gyro (QMG) system», A.A. Trusov & al., DOI : 10.1109/PLANS.2014.6851383. La structure décrite dans cet article est composée par quatre masses qui sont couplées entre elles deux par deux par des systèmes de leviers pour imposer des déplacements en opposition de phase. Mais ces leviers sont complexes à réaliser et requièrent une grande précision de fabrication pour obtenir la symétrie entre les modes vibration dans le plan de la structure. Cette structure nécessite donc l’introduction de systèmes annexes pour équilibrer les modes utiles, notamment en ajoutant des raideurs électrostatiques. Problème technique A partir de cette situation, un but de la présente invention est de fournir un nouveau capteur angulaire inertiel pour gyromètre intégrateur, qui soit amélioré pour certains au moins des inconvénients des capteurs antérieurs, tels que rappelés ci-dessus. Un but annexe de l’invention est de fournir un tel capteur pour lequel les pertes d’énergie de vibration vers l’extérieur sont réduites, afin de procurer une valeur de facteur de qualité qui soit accrue, et d’obtenir plus aisément deux modes dégénérés. Un autre but annexe de l’invention est de réduire les défauts de symétrie qui peuvent affecter la forme du capteur lorsque celui-ci est réalisé par des procédés de gravure chimique humide, qui sont des procédés de réalisation à bas coût, à cause des écarts de vitesse de gravure qui existent entre des orientations cristallines différentes d’un matériau utilisé pour constituer le capteur. Brève description des figures Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description détaillée ci-après d’exemples de réalisation non-limitatifs, en référence aux figures annexées parmi lesquelles : est une vue en plan d’un premier capteur angulaire inertiel qui est conforme à l’invention ; correspond à pour montrer un premier mode de vibration dégénéré du premier capteur angulaire inertiel ; correspond à pour montrer un second mode de vibration dégénéré du premier capteur angulaire inertiel ; correspond à pour un deuxième capteur angulaire inertiel qui est aussi conforme à l’invention ; correspond à pour le deuxième capteur angulaire inertiel ; correspond à pour le deuxième capteur angulaire inertiel ; correspond à pour un troisième capteur angulaire inertiel qui est aussi conforme à l’invention ; correspond à pour le troisième capteur angulaire inertiel ; correspond à pour le troisième capteur angulaire inertiel ; correspond à pour un quatrième capteur angulaire inertiel qui est aussi conforme à l’invention ; correspond à pour le quatrième capteur angulaire inertiel ; correspond à pour le quatrième capteur angulaire inertiel ; est une vue en plan qui montre un premier modèle de résonateur qui peut être utilisé dans des modes préférés de réalisation de l’invention ; correspond à pour montrer des déformations d’un mode de vibration du premier modèle de résonateur, avec des quantités de mouvement associées ; correspond à pour un second modèle de résonateur qui peut être utilisé dans d’autres modes préférés de réalisation de l’invention ; correspond à pour le second modèle de résonateur ; correspond à pour un cinquième capteur angulaire inertiel qui est aussi conforme à l’invention, et qui utilise le premier modèle de résonateur de - ; correspond à pour le cinquième capteur angulaire inertiel ; correspond à pour le cinquième capteur angulaire inertiel ; correspond à pour un sixième capteur angulaire inertiel qui est aussi conforme à l’invention, et qui utilise le second modèle de résonateur de - ; correspond à pour le sixième capteur angulaire inertiel ; correspond à pour le sixième capteur angulaire inertiel ; correspond à pour un septième capteur angulaire inertiel qui est aussi conforme à l’invention ; correspond à pour le septième capteur angulaire inertiel ; correspond à pour le septième capteur angulaire inertiel ; et est un rappel sur une configuration possible d’électrodes, adaptée pour un couplage piézoélectrique qui peut être utilisé pour exciter et détecter des vibrations de flexion d’une poutre, dans le cas d’un matériau de la poutre qui est piézoélectrique et appartient au système trigonal et de classe de symétrie 32, comme le quartz α. Capteur angulaire inertiel (101-107), comprenant au moins trois résonateurs (R1-R3 ; R1-R4) identiques qui sont disposés symétriquement autour d’un axe, appelé axe sensible (A-A), de façon à être invariants par une rotation de 2π/n autour de l’axe sensible, où n est le nombre des résonateurs du capteur, les n résonateurs (R1-R3 ; R1-R4) étant couplés entre eux de sorte que le capteur possède au moins deux modes dégénérés de vibration permettant de caractériser une rotation du capteur autour de l’axe sensible (A-A), chacun des résonateurs (R1-R3 ; R1-R4) comprenant une portion respective d’une plaquette à deux faces opposées qui sont planes et parallèles, la portion de plaquette dédiée à chaque résonateur étant destinée à vibrer lors d’une utilisation du capteur, et appelée portion vibrante dudit résonateur, la plaquette étant commune aux n résonateurs (R1-R3 ; R1-R4) du capteur, le capteur étant caractérisé en que chaque portion vibrante est destinée à vibrer par flexion lors de l’utilisation du capteur, et le capteur comprend en outre un élément de couplage (Ec) qui relie la portion vibrante de chaque résonateur (R1-R3 ; R1-R4) aux portions vibrantes de tous les autres des n résonateurs du capteur, l’élément de couplage étant aussi invariant par la rotation de 2π/n autour de l’axe sensible (A-A), et les portions vibrantes des n résonateurs étant réparties angulairement autour de l’élément de couplage. Capteur selon la revendication 1, dans lequel l’élément de couplage (Ec) est constitué par un motif formé dans la plaquette, et est continu de matériau avec la portion vibrante de chaque résonateur (R1-R3 ; R1-R4). Capteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la portion vibrante de chaque résonateur (R1-R3 ; R1-R4) est reliée à une partie de support (Pf) du capteur qui est externe aux portions vibrantes et à l’élément de couplage (Ec), par un segment intermédiaire de la plaquette, appelé pied (Pd), dédié au résonateur, ledit pied étant continu de matériau avec la portion vibrante et formant une liaison entre la partie de support et ladite portion vibrante, et dans lequel pour chaque résonateur (R1-R3 ; R1-R4) : la portion vibrante dudit résonateur possède un premier plan de symétrie, appelé plan médian, qui est parallèle aux deux faces de la plaquette et équidistant avec lesdites deux faces, et un second plan de symétrie, appelé plan de symétrie orthogonal à la plaquette, qui est perpendiculaire au plan médian et passe longitudinalement par la liaison que forme le pied (Pd) entre la partie de support et la portion vibrante, une intersection entre le plan médian et le plan de symétrie orthogonal à la plaquette constitue un axe médian (X m ) de la portion vibrante, la portion vibrante comprend deux extensions (P 1 , P 2 ) qui sont destinées chacune à vibrer par flexion, lesdites deux extensions s’étendant à partir du pied (Pd) symétriquement de chaque côté du plan de symétrie orthogonal à la plaquette, chaque extension (P 1 , P 2 ) est pourvue d’une fente longitudinale (FL 1 , FL 2 ) qui traverse la portion vibrante perpendiculairement au plan médian, à partir du plan de symétrie orthogonal à la plaquette en direction d’une extrémité distale de ladite extension, mais sans atteindre ladite extrémité distale, de sorte que chaque extension soit formée par un méandre, les fentes (FL 1 , FL 2 ) respectives des deux extensions (P 1 , P 2 ) étant symétriques par rapport au plan de symétrie orthogonal à la plaquette, et se rejoignant au niveau dudit plan de symétrie orthogonal à la plaquette, de sorte que la portion vibrante comprenne deux segments primaires (L 1ext , L 2ext ) qui relient chacun le pied (Pd) à l’extrémité distale de l’une des extensions, et deux segments secondaires (L 1 in t , L 2 in t ) qui sont reliés l’un à l’autre au niveau du plan de symétrie orthogonal à la plaquette par des extrémités proximales respectives desdits segments secondaires, et qui s’étendent chacun jusqu’à l’extrémité distale de l’une des extensions pour être connectée à l’un des segments primaires au niveau de ladite extrémité distale, si bien que pour les deux modes dégénérés de vibration du capteur qui permettent de caractériser la rotation autour de l’axe sensible (A-A), la partie vibrante de chaque résonateur ne possède que des déplacements qui sont parallèles au plan médian, et qui sont symétriques par rapport au plan de symétrie orthogonal à la plaquette, les deux segments primaires (L 1ext , L 2ext ) ayant des composantes de vitesse instantanées, parallèles à l’axe médian (X m ), qui ont un sens opposé à chaque instant pendant la vibration, à un sens de composantes de vitesse instantanées des segments secondaires (L 1 in t , L 2 in t ), aussi parallèles à l’axe médian. Capteur selon la revendication 3, dans lequel pour chaque résonateur (R1-R3 ; R1-R4), la portion vibrante présente une répartition de masse telle que chaque mode dégénéré de vibration du capteur qui ne comporte que des déplacements parallèles au plan médian et qui est symétrique par rapport au plan de symétrie orthogonal à la plaquette, pour ledit résonateur, ne provoque pas de déplacement du pied (Pd) parallèlement à l’axe médian (X m ). Capteur selon la revendication 3 ou 4, dans lequel chaque extension (P 1 , P 2 ) de chaque résonateur (R1-R3) comporte, au niveau de son extrémité distale et parallèlement au plan médian, un élargissement par rapport à des bords longitudinaux externes des segments primaire (L 1ext , L 2ext ) et secondaire (L 1 in t , L 2 in t ) de ladite extension. Capteur selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel l’élément de couplage (Ec) est relié à la portion vibrante de chaque résonateur (R1-R3 ; R1-R4) au niveau des extrémités proximales des segments secondaires (L 1 in t , L 2 in t ) reliées l’une à l’autre, parallèlement à l’axe médian (X m ) du résonateur et sur un côté de ladite portion vibrante qui est opposé au pied (Pd) dudit résonateur. Capteur selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel le matériau de la plaquette est monocristallin de classe trigonale et piézoélectrique, et dans lequel pour chaque résonateur (R1-R3 ; R1-R4) : l’axe médian (X m ) de la portion vibrante est parallèle à un axe Xc dudit matériau, et les deux segments primaires (L 1ext , L 2ext ) et les deux segments secondaires (L 1 in t , L 2 in t ) de la portion vibrante sont parallèles à des axes Yc dudit matériau. Capteur selon l’une quelconque des revendications 3 à 7, dans lequel les deux extensions (P 1 , P 2 ) de la portion vibrante de chaque résonateur (R1-R3 ; R1-R4) forment entre elles un angle (α) qui est égal à 60°, 90° ou 180°. Capteur selon l’une quelconque des revendication précédentes, comprenant en outre : - des moyens d’excitation, adaptés pour générer des déformations par flexion des portions vibrantes des n résonateurs (R1-R3 ; R1-R4) selon un premier des modes dégénérés de vibration ; et - des moyens de détection, adaptés pour mesurer une amplitude de vibration du capteur selon un autre des modes dégénérés de vibration, qui est différent dudit premier mode dégénéré de vibration. Gyromètre comprenant un capteur angulaire inertiel, ledit capteur étant selon l’une quelconque des revendications précédentes.