0

CAPTEURS POUR

APPLICATIONS AUX DOMAINES INERTIELS

1

RAPPELS SUR L’INERTIE

ET SES SENSEURS

2

Guidage, Navigation & Pilotage

3 Grands domaines dans l‘utilisation des senseurs inertiels

La Navigation

• Quelles sont ma position et ma vitesse ?

Le Guidage

• Que dois je faire pour atteindre ma cible ?

• Contrôle du centre de gravité sur la trajectoire

Le Pilotage

• Comment mon véhicule se comporte

• Contrôle des mouvements autour du CDG

3

Principe d ’un système de Navigation

Mesures

Accélérométriques

Mesures

Gyrométriques

Compensation des

biais et facteur

d ’échelle fonction

de T°C

Compensation de

la gravité

Compensation de

la rotation terrestre

Double intégration

Position

Attitude

Accéléromètres

Gyromètres

T°C

Compensation des

biais et du facteur

d ’échelle fonction

de T°C

4

Introduction des Paramètres Capteurs

Caractéristiques principales des capteurs

• Biais (K0), facteur d ’échelle (K1),

5

Introduction des Paramètres Capteurs

Exemple d’un modèle accélérométrique

aK

Sam

1

3

3

2

20 scsscpsspsccpps aKaaKaaKaKaKaKKaa

6

Quelques ordres de grandeur

Gyros

• 1 nml/heure demande un gyro avec une stabilité de biais de 0,01°/h

• 0,01°/h est 1500 fois plus lent que la rotation terrestre

Accéléromètres

• 100 µg d ’instabilité de biais conduisent à 45 m d ’erreur après 300 s de vol

• 100 ppm d ’erreur de FE conduisent à 0.1 m/s d ’erreur sur un pic de 100g 1s

7

8

Performances Accéléros selon les applications

D’Après Source Draper Lab: Ralph Hopkins

9

Performances Gyros selon les applications

D’Après Source Draper Lab: Ralph Hopkins

10

ACCELEROMETRES MEMS

PRINCIPES ET ARCHITECTURES

11

Technologies Accéléromètres

ACCELEROMETRES

PENDULAIRE

BOUCLE OUVERTE

OU FERMEE

A POUTRES

VIBRANTES

(VBA)

THERMIQUE

GYROMETRE

BALOURDE

(PIGA)

A ONDES DE

MATIERE

Technologies compatibles

MEMS

Technologies peu

compatibles MEMS

12

Accéléromètre piézoélectrique

Caractérisé par certaines céramiques qui ont la propriété de se

charger quand elles sont soumises à une déformation. Et

inversement ,elles se déforment si on les charge électriquement.

Une métallisation des faces permet de recueillir une tension

électrique qui pourra être utilisée dans un circuit.

13

Accéléromètre piézoélectrique

Un accéléromètre piézoélectrique, est composé d’un élément en

matériau piézoélectrique (quartz), qui joue le rôle de ressort sur

lequel repose une masse sismique précontrainte.

Quand la masse se déplace elle exerce sur le disque des

contraintes, induisant à la surface de ce dernier une charge

électrique proportionnelle à cette accélération.

14

Accéléromètre piézoélectrique

Un accéléromètre piézoélectrique, est composé d’un élément en

matériau piézoélectrique (quartz), qui joue le rôle de ressort sur

lequel repose une masse sismique précontrainte.

Quand la masse se déplace elle exerce sur le disque des

contraintes, induisant à la surface de ce dernier une charge

électrique proportionnelle à cette accélération.

15

Accéléromètres piézoélectriques

Principaux avantages:

Utilisables sur de très grandes gammes de fréquence.

Excellente linéarité sur une très grande gamme

Le signal peut être intégré électroniquement pour donner le

déplacement et la vitesse

Aucun élément mobile, donc extrêmement durable.

Principaux inconvénients:

Ne passe pas la composante continue

Domaine d’applications

Mesures sismiques

Phénomènes vibratoires

16

Accéléromètres MEMS à poutre encastrée

Toutes premières applications des MEMS dans « l’Inertie »

3 Topologies

• 3D – Axe S ^ au plan - charnières transverses (Honeywell, Draper…

• 3D – Axe S ^ au plan – charnières axiales (Colibrys, SAGEM…

• 2D - Axe S dans le plan wafer (Analog device, QinetiQ, Tronics…

Système en BO ou BF généralement à détection capacitive

Passe la composante continue, utilisable comme inclinomètre.

17

Exemple d’accéléromètre à poutre encastrée

Colibrys (Suisse)

• Cellules silicium en Boucle Ouvert:

- Famille MS8000 (2g à 100g)

Qualifié pour classe inertielle (BAE; NBTLAW Prog.)

Stabilité Bias: 2 à 100 mg

Tenue au choc: 10’000 g

- Famille HS8000 (2g à 100g)

Qualifié pour classe inertielle (BAE)

Stabilité Bias: 2 à 100 mg

Tenue au choc: 20’000 g

• Cellules silicium en Boucle Fermé:

- ACSIL (Sagem électronique + Cellule Colibrys)

Domaine: 20 g; stabilité 1mg

- Famille SF; Sigma/Delta

Domaine 3g; stabilité 1mg; Tenue au choc 1000g

- Extension de la famille SF; Sigma/Delta:

Domaine 100g; stabilité 1mg; Tenue au choc 20’000g (en

cours de développement)

Famille MS8000

18

Accéléromètres MEMS - Principe des « Vibrants »

Traction/compression sur un résonateur mécanique solidaire d’un pendule

Variation de fréquence image de la contrainte et donc de l’accélération

osc.

GVide

fréquence

poutre vibrante

en quartz

accélération

masse sismique

••

• •sortie

Sortie fréquence d'oscillation

en fonction de l ’accélération

19

Accéléromètres MEMS – Principe des « Vibrants »

Traitement différentiel des fréquences• Linéarisation du signal

• Atténuation des perturbations en mode commun (Température, vieillissement,

non linéarité d’ordre pair,….)

f (Hz)

Accélération0

sortie D f

f2 f1

f1 f2-( )

20

Exemple d’accéléromètre vibrant – Réalisation

Process issu de la technologie quartz horlogers

• Épaisseur: 400 µm

• Poutre: 2260 µm x 55 µm x 33 µm

• Fréquence poutre: 65000 Hz

21

Accéléromètre MEMS - Principe thermique

Deux filaments de détection de part et d’autre d’un filament chauffant.

Gradient thermique fonction de l’accélération

22

Accélération => transfert de chaleur par convection

• Dissymétrie du gradient de température fonction de l’accélération

Accéléromètre MEMS - Principe thermique

Courant dans le filament central => échauffement du gaz environnant

et apparition d’un gradient de température.

23

Exemple d’Accéléromètre Thermique

Objectifs de Performance

• Domaine 20g

• < 10 mg

• Tenue au choc 20000g

Road Map

• Technologie des dépôts

• Optimisation de la cavité

24

Bande passante utilisable (exemple)

25

Influence du montage des accéléromètres

26

GYROS MEMS

PRINCIPES ET ARCHITECTURES

27

Technologies des gyromètres & gyroscopes

GYRO SEC

ACCORDES

(DTG)

GSE VIBRANT GOM

GYROSCOPES/GYROMETRES

LASER FOG RFOG

Technologies compatibles

MEMS

Essais labo - difficultés

d'intégration

Technologies peu

compatibles MEMS

28

Gyros - Principe de la technologie vibrante

"Vous êtes invité à venir voir tourner la Terre, dans la salle

méridienne de l'Observatoire de Paris - Léon Foucault - 3 février 1851"

• Longueur du fil L = 67 m

• Diamètre du fil d = 1.4 mm

• Masse suspendue m = 28 Kg

• Amplitude R 2.8 m

29

Gyros - Principe de la technologie vibrante

Cas de la masse ponctuelle• Application de la Relation Fondamentale de la Dynamique

x

y f0 : fréquence de résonance

w0 = 2.p.f0,

Q : facteur de qualité

F : forces externes

m : masse

W : rotation inertielle

W

W

m

Fxyyy

m

Fyxxx

y

yy

xxx

22

22

2

2

ww

ww

p

2

1

Q

fQ

Les deux modes de vibrations sont couplés par 2×W, terme issu

des forces de Coriolis

30

Gyros MEMS - Principe de la technologie vibrante

Deux modes de fonctionnement

Gyromètre (mesure de W) – Ex Draper Lab

• Boucle ouverte ou fermée

• Mesure de la force de Coriolis

• Topologie non complètement symétrique

Gyroscope (Mesure de l’angle de rotation)

• Boucle fermée

• Mesure de l’angle de rotation du plan de vibration

• Topologie symétrique

Topologies multiples à partir de ces deux principes

• Illustration avec quelques exemples

31

Paramètre Valeur

Stabilité de biais(mil temp)

30 °/hr (1)

Stabilité de biais(short term)

10 °/hr (1)

Facteur d’échelle 250 ppm (1)

ARW 0,1 °/hr

Exemple de gyromètres: 2 masses - Honeywell

Principe issu du gyromètre du Draper Lab

• deux masses vibrant dans le plan du wafer

• détection du mode de sortie hors plan

• Dépôt récent de plusieurs brevets pour corriger les défauts du Draper

1mm

Masse

Masse

Axe sensible

Performances annoncées

32

Exemple de gyromètres à poutres - Gyro étoile

Principe (SAGEM)

• Gyro à poutres vibrantes en Quartz ou Silicium

• 4 modes à la même fréquence, 1 hors du plan, 3 dans le plan

• Gyro 2 axes – Structure équilibrée

• Performance ~ 100 °/hr