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Gyromètre MEMS

Les gyromètres MEMS ou plus exactement les capteurs de vitesse angulaire sur systèmes microélectromécaniques (MEMS) permettent de détecter la vitesse de rotation (°/s) sans point de référence fixe. L'absence de point de référence fixe différencie les gyromètres de tous les autres instruments de mesure de la rotation, tels que les tachymètres ou les potentiomètres.

Les gyromètres MEMS Silicon Sensing sont tous réalisés avec la technique unique brevetée VSG à anneau résonnant, pour la détection de la vitesse de rotation via un phénomène connu sous le nom de d'effet Coriolis. La structure et les principes de fonctionnement de base sont brièvement expliqués ci-dessous.

Silicon Sensing a produit le premier VSG MEMS à la fin des années 1990. Depuis, plus de 20 000 000 de gyros MEMS ont été livrés à des milliers de clients satisfaits.  Pour autant que nous le sachions, quasiment tous ces gyromètres fonctionnent encore parfaitement après 20 ans de service continu, ce qui constitue une preuve indiscutable de la fiabilité de la technologie VSG. Il existe actuellement trois générations de VSG MEMS, inductifs, capacitifs et PZT, ce qui permet à Silicon Sensing de produire une gamme étendue de gyromètres VSG MEMS, des capteurs de précision à l'échelle d'une puce et à faible coût (par ex. PinPoint®), aux modules gyroscopiques MEMS à haute performance du niveau des gyromètres à fibre optique FOG (par ex. CRH01).

Résumé historique des systèmes gyroscopiques...

Les appareils gyroscopiques et leur application pour la stabilisation des objets font leur apparition au début du 20e siècle. Or, l'arbre généalogique de Silicon Sensing remonte jusqu'à ces années pionnières.  À l'origine, il s'agissait de dispositifs mécaniques, qui utilisaient une masse rotative montée de manière que sa position dans l'espace inertiel reste fixe, permettant ainsi la rotation de sa structure porteuse à mesurer. Les gyros mécaniques, tels que les gyroscopes à suspension dynamiquement accordée (DTG), sont encore utilisés de nos jours, lorsqu'une précision maximale est nécessaire.

Les gyros optiques font leur apparition dans les années 1970.  Pour détecter la vitesse angulaire, les gyrolasers annulaires (RLG) et les gyromètres à fibre optique (FOG) utilisent le décalage de phase de la lumière se déplaçant dans des directions opposées autour d'une longueur de trajet fixe. Les capteurs RLG et FOG sont d'une grande précision, mais sont également très complexes et impliquent donc des processus de fabrication longs et coûteux.

 

Au cours des vingt dernières années, le monde des capteurs inertiels a été bouleversé par l'apparition de capteurs de vitesse 'à état solide' non rotatifs, appelés à tort des gyroscopes. Silicon Sensing a été l'une des premières entreprises à exploiter commercialement le potentiel des gyros à état solide, dès les années 1980, en lançant le gyroscope vibratoire mécanique VSG .

Cliquez ici, pour afficher la chronologie complète des systèmes gyroscopiques développés et produits par Silicon Sensing au cours des 100 dernières années.

Gyros VSG MEMS, une description succincte de leur structure et de leur fonctionnement de base….

Tous les gyros VSG MEMS Silicon Sensing sont conçus avec un anneau vibrant ou résonnant, fabriqué par gravure profonde par ions réactifs sur silicium massif (DRIE). L'anneau est maintenu dans l'espace par huit paires de rayons symétriques en forme de pattes de chien. Le processus de gravure sur silicium massif et le concept d'anneau unique breveté permettent d'obtenir des propriétés géométriques avec des tolérances strictes, pour un équilibre précis et une stabilité thermique optimale. Contrairement à d'autres gyros MEMS, il n'y a aucun interstice susceptible de poser des problèmes d'interférence et de frottement statique. Ces caractéristiques contribuent de manière significative à la remarquable stabilité en température du biais et du facteur d'échelle, ainsi qu'à la résistance aux chocs et aux vibrations exceptionnelle des VSG.Autre avantage de ce concept : l'immunité inhérente à l'erreur de vitesse induite par l'accélération ou 'sensibilité g'.

 


Les actionneurs/transducteurs sont fixés sur la circonférence de la surface supérieure de l'anneau de silicium et sont raccordés électriquement à des plots de connexion sur silicium via des impressions conductrices sur les rayons. Ils déclenchent ou 'pilotent' l'anneau en mode de vibration Cos2θ pour l'amener à résonner (comme lorsque l'on fait glisser un doigt humide sur le pourtour d'un verre pour le faire 'chanter') ou détectent un mouvement radial sur la circonférence de l'anneau, dû à l'actionneur d'entraînement primaire ou à la force de Coriolis générée par le gyro en rotation autour de son axe sensible qui traverse le centre de l'anneau. La combinaison de transducteurs et de détecteurs d'écart secondaires optimise le rapport signal-bruit des VSG, ce qui explique le très faible niveau de bruit des appareils, ainsi que les caractéristiques remarquables en matière d'instabilité du biais et de marche aléatoire angulaire (ARW).

 

Ci-dessous, une figure simple montre le gyro sous tension, qui ne tourne pas (vitesse angulaire = zéro).  Vous constatez que chaque point de l'anneau se déplace radialement, en ligne droite à partir du centre de l'anneau, à l'exception des « nœuds » à 45°, puis à des intervalles de 90° autour de l'anneau - représentés par des points bleus - qui restent stationnaires.

 

Vidéo non prise en charge

Dans la figure suivante, le gyro subit une impulsion de vitesse angulaire. L'effet de la force de Coriolis entre en jeu, amenant chaque point de l'anneau qui se déplace vers l'extérieur à 'se courber' dans une direction, tandis que les points qui se déplacent vers l'intérieur 'se courbent' dans l'autre direction. L'effet suivant est que le mode vibrant se déplace sur la circonférence de l'anneau, à un angle proportionnel à la vitesse de rotation.

La vitesse de rotation peut être mesurée de deux manières : (i) en détectant l'importance du déplacement actuel des points nodaux précédents - méthode appelée 'mesure en boucle ouverte' ou (ii) en générant une force de rappel, qui maintient le mode de vibration de l'anneau à la position d'origine sur l'anneau - méthode appelée 'mesure en boucle fermée'.

Vidéo non prise en charge

Pour finir, la figure suivante montre une application typique.  Le gyro doit être fixé sur le véhicule de manière à être sensible à sa vitesse de rotation.

Lorsqu'il est activé et que le véhicule se déplace en ligne droite, l'anneau de silicium résonne en mode Cos2θ, sur l'axe 0°-90°.  Les nœuds aux points à 45° (points verts et rouges) sont essentiellement stationnaires.

Lorsque le véhicule se déplace dans un virage, sous les effets de la force de Coriolis (proportionnels à la vitesse de rotation), le mode de vibration tend à se déplacer autour de l'axe, ce qui implique que les points nodaux d'origine ne sont plus stationnaires.

Dans un système gyroscopique réel, l'électronique de commande fonctionne dans une configuration à boucle fermée, de manière à maintenir la position de résonnance par rapport à l'axe d'origine.  La 'force' nécessaire pour obtenir cet effet est convertie en un signal analogique (ou numérique) proportionnel à la vitesse de rotation.

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