Mesures physiques
Capteurs inertiels vibrants miniatures
Accéléromètre en quartz à lame vibrante VIA
Les premiers travaux menés à l'Onera dans ce domaine remontent aux années 1980. Les enjeux de l'époque étaient de mieux appréhender les phénomènes physiques mis en jeu dans ce type de capteur et la recherche des hautes performances. A cette époque, les accéléromètres étaient constitués de différentes pièces assemblées et seul le résonateur (la lame vibrante) était en quartz. L'obtention des performances ultimes était ainsi très dépendante de la qualité des assemblages, délicats à maîtriser.
A la fin des années 1980, un défi a été relevé par l'équipe de l'Onera en décidant de réaliser ce type de capteur de manière monolithique, c'est-à-dire obtenir tout le capteur à partir d'un même substrat de quartz afin d'éviter les assemblages et de permettre une miniaturisation plus aisée. Des études technologiques relatives à l'usinage par voie humide du quartz (usinage chimique de wafers) ainsi que des études de concept de capteur monolithique à structure plane ont alors débuté et ont débouché sur le concept VIA, breveté en 1995.
VIA : accéléromètre monolithique
Ce concept permet de découpler de manière très efficace les vibrations de la lame vibrante grâce au cadre de découplage qui relie la partie active de l'accéléromètre aux zones de fixation. Cette structure permet ainsi de tirer le meilleur profit des excellentes propriétés mécaniques du quartz : le coefficient de qualité de la vibration de la lame, qui joue un rôle essentiel sur la stabilité de la fréquence de la lame, est aux limites ultimes atteignables (coefficient Q ~15 000, fréquence de résonance de la lame ~60 kHz). Le comportement en température est aussi très bon (faible hystérésis de la sortie du capteur en température) car le cadre de découplage permet de préserver l'ensemble de la partie active des contraintes d'origine thermique (contraintes mécaniques dues à la dilatation différentielle de l'embase et de la pastille de quartz).
L'accéléromètre complet est constitué de deux pastilles en quartz VIA assemblées dans un boîtier en configuration différentielle (nécessaire pour réduire l'influence des grandeurs physiques parasites agissant en mode commun sur les deux pastilles) et des circuits électroniques associés
Les performances de l'accéléromètre VIA sont les suivantes :
- Etendue de mesure : 100 g
- Bande passante : 1000 Hz
- Résolution : 10 µg/Hz1/2
- Précision : 300 µg en environnement sévère (incluant la stabilité du biais et le comportement thermique dans la gamme -50 + 80 °C)
Réalisation de l'accéléromètre VIA
L'accéléromètre VIA complet.
Cet accéléromètre a fait l'objet d'un transfert industriel auprès des principaux équipementiers français de l'inertie et est aujourd'hui intégré dans des systèmes militaires.
Configuration différentielle monolithique
Accéléromètre DIVA
Il y a quelques années département a réalisé avec succès une structure différentielle de l'accéléromètre sur un même substrat de quartz : c'est le vrai concept de l'accéléromètre monolithique tel qu'il avait été étudié au début des recherches, mais qui avait été abandonné du fait de la difficulté d'obtenir sur un même substrat deux lames vibrantes à des fréquences très proches et parfaitement découplées mécaniquement l'une de l'autre, afin d'éviter l'accrochage des deux fréquences (phénomène de lock-in) conduisant à une zone aveugle de mesure de l'accélération. Pour un accéléromètre de la précision du VIA, cette zone aveugle doit être inférieure à 1 mg.
Le concept VIA a permis de reconsidérer cette version d'accéléromètre monolithique en associant deux transducteurs VIA en configuration différentielle, solidaires d'un même cadre de fixation : l'excellent découplage des vibrations des lames au niveau de chaque transducteur VIA, associé à la configuration particulière du cadre de fixation, permet de réduire cette zone aveugle à des valeurs extrêmement faibles et largement compatibles avec la précision recherchée. Cette configuration originale a fait l'objet d'un brevet déposé en 2004, et les résultats expérimentaux obtenus sur des prototypes d'accéléromètres complets ont montrés la validité du concept avec des mesures de zone aveugle très faible, de l'ordre de 300 µg, ce qui permet d'envisager dans un avenir proche un transfert de ce concept aux industriels intéressés.
Accéléromètre DIVA
Plus récemment, deux développements du VIA ont été engagés :
- Dans le cadre du projet PiezoMEMS, le département oriente ses recherches vers l’étude de nouveaux matériaux piézoélectriques. En particulier, l’Orthophosphate de Gallium (GaPO4), a retenu notre attention : les investigations théoriques montrent que le coefficient de qualité du résonateur pourrait être amélioré d’un facteur 10 par rapport au quartz (à égales dimensions de résonateur). Des expériences sont actuellement menées pour vérifier ces résultats.
- L'autre développement concerne le développement d'un accéléromètre vibrant en quartz de plus haute performance (projet MAIAS, mené en collaboration avec la SAGEM). Pour aboutir à une optimisation globale du capteur, les travaux ont porté sur trois points : l’élément sensible lui-même, le packaging sous vide et l’électronique associée. Des résultats très encourageants montrent que les capteurs vibrants en quartz ont encore un potentiel d’amélioration important : les efforts sont actuellement dirigés vers une amélioration des procédés de fabrication, qui permettront d’exploiter des géométries mieux adaptées.
