Conception et évaluation des performances d'un microgyromètre vibrant triaxial en GaAS à structure plane

par Iännis Roland

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Alain Bosseboeuf.

Le président du jury était Elie Lefeuvre.

Le jury était composé de Elie Lefeuvre, Skandar Basrour, Lionel Buchaillot, Bernard Dulmet, Rose-Marie Sauvage, Stève Masson, Olivier Le Traon.

Les rapporteurs étaient Skandar Basrour.


  • Résumé

    Cette thèse présente la conception d'un microgyromètre MEMS triaxial. Les microgyromètres ont de nombreuses applications telles que le contrôle d'attitude de drones ou l'interfaces homme/machine. Les microgyromètres triaxiaux sont particulièrement avantageux car ils permettent de déterminer les trois composantes de la vitesse de rotation à partir d'un seule structure monolithique et planaire. Le principe de fonctionnement des gyromètres vibrants à effet Coriolis (CVG) a été étudié analytiquement, puis une structure originale de gyromètre triaxial monolithique et planaire a été conçue. Cette structure est constituée de quatre poutres encastrées sur un cadre déformable. Des prototypes en silicium ont été réalisés et caractérisés. L’arséniure de gallium (GaAs) a été sélectionné pour la réalisation en raison de ses propriétés piézoélectriques et de son fort potentiel de miniaturisation. Un système d’électrodes pour l'excitation et la détection des vibrations mécaniques a été mis au point. Deux procédés d'usinage du GaAs ont été développés, un procédé de gravure chimique et un procédé de gravure plasma permettant tous les deux de graver verticalement le GaAs sur 450 micromètres de profondeur. Le procédé de gravure plasma est compatible avec la réalisation du CVG triaxial. Des résonateurs de test en GaAs dopé Carbone ont été réalisés par gravure chimique pour mesurer l'évolution en température de la résistivité et des propriétés électromécaniques de ce matériau. Ces mesures ont permis d'estimer que les marches aléatoires angulaires du CVG triaxial sont inférieures à 0,025 degré par racine d'heure sur la gamme de température [-40°C +80°C] pour les trois axes de mesure. Ceci situe le potentiel du CVG triaxial conçu parmi les CVG MEMS les plus performants.

  • Titre traduit

    Conception and performances evaluation of a GaAS planar triaxial vibrating rate microgyro


  • Résumé

    This PhD present the conception of a triaxial MEMS microgyro. Microgyros offer a wide range of applications varying from drones attitude control to human interface devices. The triaxial microgyros offer great benefits because they allow determination of the three rotation rate components with only one monolithic planar structure. The operating principle of Coriolis Vibrating Gyro (CVG) has been studied analytically and an original structure has been designed. This structure consists of four beam clamped into a deformable frame. Some silicon prototypes have been machined and characterised. The gallium arsenide (GaAs) has been chosen for the realisation because of its piezoelectric properties and its great miniaturization potential. A transduction system based on GaAs piezoelectricity was developed. Two GaAs machining processes have been developed: a chemical etching process and a plasma etching process which both enable 450 micrometers deep vertical etching. The plasma etching technique allows high fidelity enough machining to be compatible with the triaxial CVG realisation. Some C-doped GaAs test resonators have been realised to measure the resistivity temperature dependency and electromechanical properties of this material. Those characterisations lead to estimate the angular random walk for the three axis ranges below 0,025 degree per square root hour on the temperature range [-40°C +80°C]. This sets the triaxial CVG together with the best monoaxial MEMS CVG.


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