APPLICATIONS AUX DOMAINES INERTIELS

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0

CAPTEURS POUR

APPLICATIONS AUX DOMAINES INERTIELS

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1

RAPPELS SUR L’INERTIE

ET SES SENSEURS

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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

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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

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4

Introduction des Paramètres Capteurs

Caractéristiques principales des capteurs

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

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5

Introduction des Paramètres Capteurs

Exemple d’un modèle accélérométrique

 



 a

K a^m S

1

3 3 2

2

0 p p c c s sp s p sc s c s

s K K a K a K a K a a K a a K a

a

a_        

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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

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7

(9)

8

Performances Accéléros selon les applications

D’Après Source Draper Lab: Ralph Hopkins

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9

Performances Gyros selon les applications

D’Après Source Draper Lab: Ralph Hopkins

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10

ACCELEROMETRES MEMS

PRINCIPES ET ARCHITECTURES

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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

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

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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

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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.

G Vide

fréquence poutre vibrante

en quartz accélération

masse sismique

••

• •

sortie

Sortie fréquence d'oscillation en fonction de l ’accélération

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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)



Accélération 0

sortie D f

f2 f1

f1 f2-

( )

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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

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21

Accéléromètre MEMS - Principe thermique

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

Gradient thermique fonction de l’accélération

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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.

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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

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24

Bande passante utilisable (exemple)

(26)

25

Influence du montage des accéléromètres

(27)

26

GYROS MEMS

PRINCIPES ET ARCHITECTURES

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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

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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

(30)

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 x F

y y

y

m y F

x x

x

y y

y

x x

x



2 2

w w



w w



 p

2

 1



 Q

f Q

 Les deux modes de vibrations sont couplés par 2×W, terme issu des forces de Coriolis

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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

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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

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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