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CAPTEURS POUR
APPLICATIONS AUX DOMAINES INERTIELS
1
RAPPELS SUR L’INERTIE
ET SES SENSEURS
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
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
4
Introduction des Paramètres Capteurs
Caractéristiques principales des capteurs
• Biais (K0), facteur d ’échelle (K1),
5
Introduction des Paramètres Capteurs
Exemple d’un modèle accélérométrique
aK
Sam
1
3
3
2
20 scsscpsspsccpps aKaaKaaKaKaKaKKaa
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
7
8
Performances Accéléros selon les applications
D’Après Source Draper Lab: Ralph Hopkins
9
Performances Gyros selon les applications
D’Après Source Draper Lab: Ralph Hopkins
10
ACCELEROMETRES MEMS
PRINCIPES ET ARCHITECTURES
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
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.
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.
14
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
16
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.
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
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.
GVide
fréquence
poutre vibrante
en quartz
accélération
masse sismique
••
• •sortie
Sortie fréquence d'oscillation
en fonction de l ’accélération
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)
Accélération0
sortie D f
f2 f1
f1 f2-( )
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
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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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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Exemple d’Accéléromètre Thermique
Objectifs de Performance
• Domaine 20g
• < 10 mg
• Tenue au choc 20000g
Road Map
• Technologie des dépôts
• Optimisation de la cavité
24
Bande passante utilisable (exemple)
25
Influence du montage des accéléromètres
26
GYROS MEMS
PRINCIPES ET ARCHITECTURES
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
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
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
Fxyyy
m
Fyxxx
y
yy
xxx
22
22
2
2
ww
ww
p
2
1
Q
fQ
Les deux modes de vibrations sont couplés par 2×W, terme issu
des forces de Coriolis
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
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
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
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