Capteurs de vitesse angulaire micro-usines en silicium avec detection piezoresistive et excitation electromagnetique

par FLORENCE GRETILLAT

Thèse de doctorat en Sciences et techniques

Sous la direction de NICOLAAS-F DE ROOIJ.

Soutenue en 1998

à Besançon .

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  • Résumé

    Ce projet s'inscrit dans le cadre general de recherche des limites en microtechnique. La microtechnique fait appel au savoir faire de la microelectronique qui intervient dans le domaine des microprocesseurs d'ordinateurs, des telephones sans fil, des cartes a puces son but est de realiser des microcapteurs qui mesurent une grandeur physique (temperature, pression) et qui transforment cette derniere en signal electrique, des microactionneurs qui effectuent une operation precise comme le ferait un micromoteur ou une microvalve. Si on arrive a combiner capteurs et actionneurs afin qu'ils agissent de facon autonome et intelligente, on forme alors un microsysteme. Pour estimer les limites de la microtechnique, un demonstrateur a ete choisi. Il s'agit d'un microsysteme de navigation. Le gps (global positionning system) donne la position (latitude et longitude) en quelques minutes grace a des reperages par satellites. En cas d'obstacles (immeuble, tunnel, montagne) entre le recepteur gps et les satellites, le signal electromagnetique n'est plus transmis. Il faudrait lui associer une plate-forme inertielle. Cette derniere grace a trois capteurs d'acceleration et trois capteurs de vitesse angulaire delivrerait une position suivant les trois axes de coordonnees dans l'espace. Dans ce projet, les capteurs de force (acceleration et vitesse angulaire) utilisent les techniques de la microtechnique. En effet plusieurs capteurs peuvent etre fabriques en grand nombre (taille micrometrique) et a faible cout sur un meme substrat en silicium. Le capteur d'acceleration micro-usine en silicium intervient deja dans les systemes de coussin gonflant dans les voitures. Il transforme, grace au corps d'epreuve, une force (acceleration) en une contrainte mecanique qui a son tour sera transformee en un signal electrique grace a des jauges de contraintes appelees piezoresistances. Ces dernieres changent une contrainte mecanique en variation de resistance electrique. Ce principe de mesure a ete repris pour les deux capteurs de vitesse angulaire realises dans cette these. Ce n'est pas une acceleration que l'on mesure mais la force de coriolis. Dans le cas d'un capteur de vitesse angulaire, le corps d'epreuve est constitue par un diapason dont les deux branches vibrent en antiphase (toujours dans des directions opposees). Ce dispositif a deja ete realise avec succes en quartz et intervient dans les systemes de stabilisation des cameras. Dans cette these, deux capteurs de vitesse angulaire bases sur une structure vibrante ont ete concus, fabriques et caracterises (chapitres 2 et 4). Dans les deux cas, les deux branches du diapason ont ete remplacees par deux accelerometres, c'est a dire, deux masses suspendues par quatre poutres chacune. L'excitation en antiphase se fait grace aux forces electromagnetiques un aimant permanent colle sur le capot superieur de protection des masses vibrantes interagit avec un courant alternatif qui circule dans un conducteur metallique place sur les masses. Lorsqu'on fait tourner le capteur, les masses ne vibrent plus dans un meme plan mais hors de ce plan dans des directions opposees. Ceci induit des contraintes mecaniques dans les poutres qui sont detectees par des piezoresistances. Chacun des capteurs nous a permis de mesurer des vitesses de plus d'un tour par seconde (400 deg/sec) ainsi que le sens de rotation. Le deuxieme prototype de capteur de vitesse angulaire presente plusieurs ameliorations par rapport au premier design. En particulier, un signal de sortie beaucoup moins bruite et surtout beaucoup plus stable dans le temps, ce qui est particulierement important pour un capteur de vitesse angulaire destine a la navigation car il devra mesurer un signal pendant plusieurs minutes sans subir de derive causee par exemple, par une variation de temperature.


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Informations

  • Détails : 156 p.
  • Annexes : 236 ref.

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  • Bibliothèque : Bibliothèque universitaire Sciences - Sport (Besançon).
  • Disponible pour le PEB
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