Mesures physiques
Capteurs inertiels vibrants miniatures
Gyromètre vibrant en quartz VIG
Par rapport aux accéléromètres vibrants, les gyromètres à effet Coriolis sont des structures vibrantes plus complexes à concevoir puisqu'elles mettent en jeu deux modes utiles de vibrations : l'un des modes, dit "pilote", est maintenu en vibration de résonance au moyen d'un circuit oscillateur, l'autre mode, dit "détecteur", est sollicité en vibration forcée par les accélérations de Coriolis avec une amplitude proportionnelle à la vitesse de rotation appliquée.
Bénéficiant des acquis liés au développement de l'accéléromètre VIA, une structure de gyromètre a été définie, dont l'atout majeur réside dans le découplage extrêmement poussé des vibrations utiles vis-à-vis de la fixation de la structure dans son boîtier étanche. Ainsi, l'information Coriolis reste totalement contenue dans la vibration mécanique du mode détecteur du cristal, et est directement convertie par effet piézoélectrique en charges électriques représentatives de la vitesse de rotation à mesurer. Une démodulation synchrone avec le mouvement pilote permet d'obtenir une tension de sortie continue proportionnelle à la vitesse de rotation (cf. schéma synoptique).
Concept du gyromètre VIG
Le gyromètre VIG met en œuvre un diapason comme élément sensible intégré dans un système de découplage très efficace qui permet ainsi d'obtenir des qualités de vibrations très élevés pour les modes utiles (Q > 150 000).
Structure du gyromètre VIG
L'un des problèmes majeurs, limitatif de la performance du capteur, concerne le couplage mécanique entre les deux modes utiles susceptibles de générer une pollution très importante sur le signal de détection, difficile à éliminer par la seule démodulation synchrone. Des travaux importants ont porté sur la réduction de cette pollution mécanique en optimisant conjointement la procédure de gravure chimique du quartz et le design de l'élément sensible. Aujourd'hui, la pollution mécanique obtenue après gravure chimique et sans retouche d'équilibrage est compatible avec la classe de précision visée : étendue de mesure 1000 °/s, résolution 0,01°/s/Hz1/2, précision 0,01 °/s.
Travaux récents
Dans le cadre du projet PiézoMEMS, l'effort est axé aujourd’hui principalement sur l’architecture de la structure vibrante et sur la définition de l’électronique associée.
La structure du gyromètre VIG a été optimisée, en particulier au niveau des électrodes d’excitation/détection, ce qui a permis de réduire de deux ordres de grandeur les couplages entre les modes pilote et détecteur et ainsi d’améliorer d’un facteur 100 la sélectivité du système de détection.
Par ailleurs, un modèle de comportement multi-physique a montré que l'effort à fournir concerne à un même degré d'importance les deux fonctions attribuées aux électroniques : d'une part l'élaboration du signal de sortie (circuit de détection), d'autre part l'entretien de la vibration pilote (circuit oscillateur).
De nouvelles architectures électroniques ont donc été explorées, qui devraient permettre d’améliorer, d’un à deux ordres de grandeur, la stabilité de phase de la détection synchrone. Par ailleurs, les défauts d’appariement de l’amplification différentielle ont été supprimés par l’emploi d’une commutation synchronisée des circuits.
Ces améliorations importantes, à la fois sur la structure vibrante et sur l’architecture de l’électronique devraient permettre prochainement d’atteindre une précision meilleure que 10 °/h.
Le gyromètre VIG
Résultats expérimentaux obtenus sur des prototypes de gyromètre VIG
) au moyen d'un circuit oscillateur. Le mouvement transverse (à la même pulsation 
est transformé par effet piézoélectrique en charges électriques alternatives et une démodulation synchrone avec le mouvement pilote permet d'obtenir une tension de sortie proportionnelle à la vitesse de rotation