Contribution à l'amélioration des caractéristiques des gyromètres thermiques en environnements sévères

Improvment of thermal gyrometer in harsh environments

• Auteur / Autrice : Alexandre Kechaf
• Direction : Alain Giani, Philippe Combette
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Inscription en doctorat le 15/10/2018
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IES - Institut d'Electronique et des Systèmes

Mots clés

Mots clés libres

Micro capteur

Gyromètres

Microtechnologie

Thermique

Microsensor

Gyroscop

Microtechnology

Thermal behavior

Résumé

Amélioration des caractéristiques de gyromètres basés sur les échanges thermiques Les domaines de l'inertie et surtout celui de la gyroscopie sont des domaines qui ont fortement évolué depuis plusieurs dizaines d'années grâce à la demande croissante pour les applications de navigation, de contrôle d'attitude et de guidage [1, 2, 3, 4, 5]. Chaque application nécessite des besoins particuliers, en termes de performance, qui ont conduit à la réalisation de nombreux dispositifs, chacun adapté à une application bien particulière. Il va de soi que l'on ne demande pas les mêmes performances à un gyroscope utilisé dans un stabilisateur d'image de caméscope, qu'à celui servant pour la navigation d'un sous-marin, pour celle d'un missile ou plus généralement pour les environnements sévères. Le terme 'performance' regroupe ici un certain nombre de grandeurs qui permettent de caractériser et de comparer les différents capteurs inertiels. Par exemple, les notions de facteur d'échelle, de bande passante, de biais, d'étendue de mesure, permettent de comparer des gyroscopes fonctionnant sur des principes physiques complètement différents. Néanmoins à l'exception des gyroscopes optiques, tous les gyros traditionnels fonctionnent par détection de la force de Coriolis qui agit sur une masse d'épreuve en rotation ou en vibration. Or ces dispositifs ne sont que rarement compatibles avec la technologie des circuits intégrés. C'est pourquoi dans les années 1980-90, la fabrication par la technologie des MEMS des gyros miniatures est devenue un axe de recherche très important. Depuis lors, de très nombreux articles de recherche ont été publiés sur les gyros MEMS et des dispositifs commerciaux ont commencé à émerger à la fin des années 90. Cependant l'existence de parties mécaniques relativement fragiles ne garantit pas un niveau de robustesse élevée de ces systèmes dans des environnements sévères où l'on peut être confronté par exemple, à des niveaux d'accélérations ou de vibrations élevés (munitions d'artillerie, missiles, forage pétrolier, mesure de chocs, …). Or les besoins sont de plus en plus importants dans ces domaines à haute technicité et où l'erreur et la perte de contrôle sont à proscrire. C'est pourquoi en parallèle à ces développements, depuis une dizaine d'années, d'autres concepts ont émergé utilisant le déplacement de masses fluidiques liquides ou gazeuses à la place des masses solides. Au niveau des principes mis en jeu, deux types de gyromètres fluidiques micro-usinés ont été rapportés, à savoir, les gyromètres à jet et les gyromètres à gaz. Le gyro à jet utilise un flux de gaz laminaire entraîné la plupart du temps par un micro-pompe, tandis que le gyro à gaz utilise un flux induit par convection ou expansion thermique. Le premier gyro à jet micro-usiné a été proposé par Ding et Zhu et al. en 2001 [6]. Depuis, de nombreuses études ont été menées pour améliorer leurs performances en optimisant leurs structures, les matériaux et les paramètres de fonctionnement [7-12]. Actuellement les recherches portent sur l'intégration monolithique des détecteurs de débit et de la micro-pompe afin notamment de maintenir une grande vitesse d'écoulement [13]. Néanmoins pour ces gyros, l'utilisation de système mécanique vient annuler l'avantage de leur principe physique qui n'utilise pas de masse solide mobile. Quant aux gyro à gaz, ils ne présentent pas cet inconvénient mais leur optimisation est beaucoup plus délicate en terme de facteur d'échelle et de sensibilité croisée avec l'accélération [14-17]. Ainsi, comme pour tout nouvel objet en développement, il reste à étudier un grand nombre de problèmes aussi bien théorique que technologique. C'est pourquoi, suite à une première thèse présentée en novembre 2017 par M. Guillaume Kock sur ce sujet dans notre laboratoire, nous proposons de poursuivre ce premier travail où on a démontré la faisabilité de tels systèmes, afin d'améliorer leurs caractéristiques et d'en explorer de nouvelles. Cependant, avant de présenter le travail proposé, nous allons très brièvement donner les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse. Cette dernière a eu pour but d'étudier numériquement et expérimentalement les deux types de gyro thermique MEMS présentés précédemment, afin de comprendre les mécanismes physiques mis en jeu et les paramètres qui impactent leurs caractéristiques en terme de sensibilité et d'étendue de mesure, en particulier. On a ainsi pu obtenir des sensibilités de quelques mV/°/s et des étendues de mesure de quelques centaines à quelques milliers de g. Mais un des résultats les plus remarquables a été de montrer la robustesse du gyro à expansion thermique qui a conservé ses caractéristiques après avoir subi un choc de 10 000g pendant 9 ms. Références bibliographiques [1] N. Yazdi, F. Ayazi, and K. Najafi, “Micromachined inertial sensors,” Proceedings of the IEEE, vol. 86, no. 8, pp. 1640–1659, August 1998. [2] S. Nasiri. (2005) A critical review of MEMS gyroscopes technology and commercialization status. InvenSense.[Online].Available: http://www.invensense.com/shared/pdf/MEMSGyroComp.pdf [3] M. Kraft, “Micromachined inertial sensors: The state of the art and a look into the future,” IMC Measurement and Control, vol. 33, no. 6, pp. 164–168, 2000. [4] R. Bogue, “Resonating gyroscopes: the next big challenge for MEMS technology,” Sensor Review, vol. 27, no. 3, pp. 197–199, 2007. [5] A. Lawrence, Modern inertial technology: navigation, guidance, and control, 2nd ed. USA: Springer, 1998. [6] Ding, H.G.; Zhu, R.; Hao, Y.L. Micro Jet Gyro. CN Patent 01,119,802.8, 29 June 2001. [7] Dao, D.V.; Dau, V.T.; Shiozawa, T.; Kumaga, H.; Sugiyama, S. A dual Axis Gas Gyroscope Based on Convective and Thermo-Resistive Effects in Silicon with Low Thermal-Induced Stress Sensing Element. In Proceedings of the 19th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, Istanbul, Turkey, 22–26 January 2006; pp. 594–597. [8] Dau, V.T.; Dao, D.V.; Shiozawa, T.; Sugiyama, S. Simulation and fabrication of a convective gyroscope. IEEE Sens. J. 2008, 8, 1530–1538. [CrossRef] [9] Bahari, J.; Feng, R.; Leung, A.M. Robust MEMS gyroscope based on thermal principles. J. Microelectromech. Syst. 2014, 23, 100–116. [CrossRef] [10] Zhu, R.; Ding, H.; Su, Y.; Zhou, Z. Micromachined gas inertial sensor based on convection heat transfer. Sens. Actuators A Phys. 2006, 130, 68–74. [CrossRef] [11] Zhu, R.; Ding, H.; Su, Y.; Yang, Y. Modeling and experimental study on characterization of micromachined thermal gas inertial sensors. Sensors 2010, 10, 8304–8315. [CrossRef] [PubMed] [12] Zarei, N.; Leung, A.M.; Jones, J.D. High Performance MEMS Thermal Gyroscope. In Proceedings of the ASME 2012 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Houston, TX, USA, 9–15 November 2012; pp. 931–936. [13] Dau, V.T.; Dinh, T.X.; Bui, T.T. Jet flow generation in a circulatory miniaturized system. Sens. Actuators B Chem. 2016, 223, 820–826. [14] Zhu, R.; Ding, H.; Yang, Y.; Su, Y. Sensor fusion methodology to overcome cross-axis problem for micromachined thermal gas inertial sensor. IEEE Sens. J. 2009, 9, 707–712. [CrossRef] [15] Zhu, R.; Cai, S.; Ding, H.; Yang, Y.J.; Su, Y. A micromachined gas inertial sensor based on thermal expansion. Sens. Actuators A Phys. 2014, 212, 173–180. [CrossRef] [16] Liu, S.Q.; Zhu, R. System Error Compensation Methodology Based on a Neural Network for a Micromachined Inertial Measurement Unit. Sensors 2016, 16, 175. [CrossRef] [PubMed] [17] Feng, R.; Bahari, J.; Jones, J.D.; Leung, A.M. MEMS Thermal gyroscope with self-compensation of the linear acceleration effect. Sens. Actuators A Phys. 2013, 203, 413–420. [18] M. Robinson, A History of Electric Wind, American Journal of Physics, 2005. [19] C.-P. Hsu, N.E. Jewell-Larsen, I.A. Krichtafovitch, S.W. Montgomery, J.T. Dibene, and A.V. Mamishev, Microelectromechanical Systems, Journal of 16, 809 (n.d.). [20] S. Bendib and O. Francais, in Design, Characterization, and Packaging for MEMS and Microelectronics II, edited by P.D. Franzon, A.P. Malshe, and F.E. Tay (International Society for Optics and Photonics, 2001), pp. 283–292. [21] Thompson SM, Paudel BJ, Jamal TT, Walters DK. Numerical Investigation of Multistaged Tesla Valves. ASME. J. Fluids Eng. 2014;136(8). [22] S. Wang, B. Ma, J. Deng, H. Qu, and J. Luo, Microsystem Technologies-Micro-and Nanosystems-Information Storage and Processing Systems 21, 1053 (2015).

This thesis propose both the study and the fabrication of micro-sensors dedicated to the measurement of angular velocity, these devices are based on heat exchanges. Two types of gyroscopes will be developed, one using a jet of gas being deflected by the rotation, the other one using thermal expansion of a gas. Under rotation, heat transfers in a locally heated fluid is modified by the Coriolis force and induces a change in temperature distribution. Using a fluid as seismic mass enhances performances in terms shock (≥ 10 000g) and vibration resistances compared with standard mechanical gyroscopes. The aim of this work is to study, develop and characterize these two gyroscopes. For this purpose, numerical studies will be carried out in order to improve our understanding of physical and thermal phenomena involved in the device. Effects of thermo-physical parameters, sensor size and gas flow velocity on both sensitivity and measuring range will be analyzed. On the other hand, prototypes of both gyroscopes will be manufactured and characterized. The proof of concept has to be validated. Comparison of measure and simulation will be use to show the improvements that should be made on these devices.