DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

La présente invention se rapporte à un gyromètre micromécanique résonant performant à encombrement réduit.

Un gyromètre permet de mesurer une vitesse angulaire. Il comporte au moins une masse mobile qui est mise en mouvement sous l'effet des forces de Coriolis, en mesurant ce déplacement il est possible de déterminer la vitesse angulaire à laquelle est soumis le gyromètre, et donc la vitesse angulaire à laquelle est soumis le dispositif le portant.

La masse mobile est suspendue par rapport au support par des moyens de suspension type ressort s'étendant entre les bords de la masse et le support, permettant des mouvements de la masse mobile dans le plan du capteur.

Parmi les différents types de gyromètre, il existe les gyromètres dynamiques ou résonants. La masse mobile des gyromètres résonants est mise en vibration dans une direction, dite direction d'excitation, et, sous l'effet des forces de Coriolis, la masse est mise en mouvement dans une autre direction, dite direction de détection. En mesurant le déplacement dans la direction de détection, on détermine la vitesse angulaire. La masse mobile présente alors deux modes, un mode d'excitation selon la direction d'excitation et un mode de détection selon la direction de détection-r

La force F _se nse s'appliquant à la masse dans la direction de détection s'écrit :

avec :

m la masse effective du résonateur,

A _drive l'amplitude de vibration du mode d'excitation, et oo _drive la fréquence de vibration du mode de détection. On constate que la force de détection est proportionnelle à la masse du résonateur, et donc à sa taille, et à l'amplitude de mouvement dans la direction d'excitation. En outre il est préférable que les fréquences des modes d'excitation et de détection soient proches ou identiques pour obtenir un couplage maximal et donc un déplacement dans la direction de détection important.

Une masse mobile de masse importante se traduit en général par une surface importante dans le plan du capteur. En outre les moyens de suspension s'étendant latéralement par rapport à la masse mobile augmentent encore cet encombrement.

Or, plus la masse mobile présente une grande surface, plus le prix de revient du capteur est élevé. En outre, le nombre de capteurs réalisables par puce est réduit.

A l'inverse, une miniaturisation de la masse mobile, outre les inconvénients liés à la diminution de la masse énoncés ci-dessus, provoque une augmentation de la fréquence de résonance et une diminution de l'amplitude du mouvement de la masse mobile, ce qui entraîne des difficultés pour la mesure du capteur et des contraintes pour la circuiterie de mesure.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir une structure de gyromètre micromécanique résonant à détection dans le plan permettant une réduction de son encombrement tout en conservant de bonnes performances de détection.

Le but énoncé ci-dessus est atteint par une structure de gyromètre micromécanique résonant à détection dans le plan comportant un support, une masse mobile, la masse étant suspendue au support au moyen d'au moins un pied ancré au support et se reliant à la masse mobile sur une zone de celle-ci en regard du support.

Selon l'invention, on localise principalement la masse de la partie mobile au niveau de la masse sismique et la raideur au niveau du ou des pieds, ce qui permet de découpler en partie la masse et la raideur, et de modifier la masse en agissant peu sur la raideur et inversement. On peut alors fixer la raideur et la masse au moins en partie de manière indépendante. Ainsi il est possible de miniaturiser le gyromètre sans augmenter la fréquence de résonance et donc sans perte de performance, en comparaison des gyromètres de l'état de la technique.

En outre, on peut avantageusement optimiser la masse de la masse mobile par rapport à l'emprise du capteur. En effet, les moyens suspendant la masse mobile sont disposés sous la masse, ils ne participent donc pas à l'encombrement dans le plan du gyromètre. Ainsi la surface et donc la masse de la masse mobile peuvent être maximisées.

Dans un exemple de réalisation particulièrement avantageux, les moyens d'excitation et de détection sont situés au niveau du pied, l'encombrement du gyromètre est alors celui de la masse.

De manière préférée, les modes d'excitation et de détection sont deux modes résonants, et de manière encore préférée les deux modes ont des fréquences de résonances proches ou égales.

En d'autres termes, les moyens de suspension sont réalisés dans un plan différent du plan dans lequel la masse mobile est destinée à se déplacer, ce qui permet de rendre indépendant en partie la masse et la raideur. Ainsi les paramètres intervenant dans l'équation (I) et intervenant sur les performances du gyromètre sont découplés, et peuvent être optimisés séparément, ce qui permet d'atteindre un bon compromis entre encombrement et performances de détection.

Grâce à l'invention, les moyens de suspension de la masse ne sont pas dans le plan de masse ce qui permet un gain de place important.

De manière très avantageuse, les moyens de détection sont des moyens optiques, permettant d'offrir un gyromètre présentant une bande passante plus large que les moyens de détection électrique.

L'un des objets de la présente invention est un gyromètre micromécanique résonant comportant un support et une masse mobile apte à se déplacer dans un plan du gyromètre par rapport au support, des moyens d'excitation de ladite masse mobile dans une première direction et des moyens de détection du déplacement de ladite masse mobile dans une deuxième direction. Le gyromètre comporte également au moins un pied ancré sur le support par une première extrémité et fixé à la masse mobile par une deuxième extrémité, et permettant à la masse mobile de se déplacer dans le plan du gyromètre le long des première et deuxième directions.

Selon un exemple très avantageux les moyens d'excitation et/ou des moyens de détection sont situés au moins en partie sous la masse mobile, ce qui permet de réduire l'encombrement de ceux-ci et d'offrir un gyromètre plus compact. Selon un exemple, au moins une partie des moyens d'excitation est portée par le pied et/ou est en interaction mécanique avec le pied de sorte que l'action des moyens d'excitation agisse directement sur le pied et/ou que les moyens de détection détectent directement les vibrations du pied. Selon un autre exemple, au moins une partie des moyens d'excitation est située sous la masse de sorte que l'action des moyens d'excitation agisse directement sur la masse et/ou au moins une partie des moyens de détection est située sous la masse de sorte qu'ils détectent directement les vibrations de la masse.

De préférence, le au moins un pied présente une section dans le plan du gyromètre inférieure à la surface de la masse mobile dans le plan du gyromètre. Par exemple, la section du pied dans le plan du gyromètre est de l'ordre de l/100 ^ème de la surface de la masse mobile dans le plan du gyromètre.

Le gyromètre peut comporter plusieurs pieds ancrés sur le support par une première extrémité et fixés à la masse mobile par une deuxième extrémité, et la somme des sections des pieds dans le plan du gyromètre est de préférence inférieure à la surface de la masse mobile dans le plan du gyromètre.

Le gyromètre comporte avantageusement un premier mode résonant à une première fréquence de résonance le long de la première direction et un deuxième mode résonant à une deuxième fréquence de résonance selon la deuxième direction. De manière préférée, les première et deuxième fréquences de résonance sont proches ou égales. La masse mobile et le au moins un pied peuvent comporter au moins deux axes de symétries orthogonaux dans le plan du gyromètre, l'un des axes de symétrie étant aligné avec la première direction, et l'autre axe de symétrie étant aligné avec le deuxième axe. Dans un exemple de réalisation, les moyens d'excitation comportent au moins une électrode portée par le support et une électrode portée ou formée par le pied ou la masse mobile, de sorte à appliquer une force électrostatique au pied ou à la masse mobile dans la première direction.

Dans un autre exemple de réalisation, les moyens d'excitation comportent au moins une poutre en matériau piézoélectrique suspendue entre le substrat et le pied, orientée de sorte à appliquer une force mécanique au pied dans la première direction.

Dans un exemple de réalisation, les moyens de détection comportent un résonateur optique disposé par rapport à la masse mobile de sorte que la masse mobile se trouve au moins en partie dans le champ évanescent du résonateur optique au moins dans la deuxième direction, des moyens pour injecter un signal lumineux dans le résonateur et des moyens pour collecter un signal lumineux sortant du résonateur optique.

Avantageusement, la masse mobile comporte au moins un matériau présentant une masse volumique élevée, et le pied est en un matériau rigide.

Dans un exemple avantageux, les moyens d'excitation et les moyens de détection sont situés au niveau du pied de sorte que la surface occupée par gyromètre soit égale à la surface de la masse mobile.

Selon une caractéristique additionnelle avantageuse, le gyromètre comporte des moyens de réglage d'au moins la fréquence de l'un des modes, lesdits moyens de réglage étant configurés pour appliquer une déformation mécanique au pied au moins pendant une mesure. Par exemple, les moyens de réglage comportent au moins une électrode portée par le support et une électrode portée ou formée par le pied ou la masse mobile, de sorte à appliquer une force électrostatique au pied ou à la masse mobile dans la première ou la deuxième direction.

La présente invention a également pour objet une méthode de mesure mettant en œuvre un gyromètre selon l'invention, comportant :

- la mise en mouvement de la masse mobile dans la première direction, - la mesure du déplacement de la masse mobile dans la deuxième direction résultant des forces de Coriolis.

La méthode de mesure peut comporter également une étape de réglage de la fréquence d'au moins l'un des modes avant l'étape a). Cette étape de réglage peut comporter la déformation mécanique du pied pendant toute la durée de la mesure. A à la fin de l'étape de réglage, les deux modes ont de préférence la même fréquence de résonance.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels:

- la figure IA est une représentation schématique en perspective d'un exemple de réalisation d'un gyromètre selon l'invention représenté partiellement,

- la figure IB est une vue de côté du gyromètre de la figure IA la masse étant en mouvement,

- la figure 2 est une représentation schématique en perspective d'un autre exemple de réalisation d'un gyromètre selon l'invention représenté partiellement,

- la figure 3A est une représentation schématique en perspective d'un autre exemple de réalisation d'un gyromètre selon l'invention représenté partiellement,

- la figure 3B une représentation schématique vue de côté et vue de dessus d'un autre exemple de réalisation d'un gyromètre selon l'invention comportant plusieurs pieds,

- la figure 4 est une vue de dessus représentées schématiquement d'un gyromètre selon l'invention avec un exemple de moyens d'excitation,

- les figures 5, 6 et 7 sont des vues de dessus représentées schématiquement de gyromètres selon l'invention comportant des moyens de détection du déplacement de la masse selon l'axe Y selon trois exemples de réalisation,

- la figure 8 une vue de dessus représentées schématiquement d'un gyromètre selon l'invention avec un exemple de moyens de réglage de la fréquence de l'un des modes, - les figures 9A à 9G sont des représentations schématiques d'éléments obtenus au cours des différentes étapes d'un exemple de procédé de réalisation d'un gyromètre selon l'invention,

- la figure 10 est une vue de dessus d'un gyromètre de l'état de la technique,

- la figure 11A est une représentation schématique en perspective d'un exemple de réalisation d'un gyromètre représenté partiellement, travaillant dans un mode de résonance « torsion »

- la figure 11B est une vue de côté du gyromètre de la figure IA, la masse subissant une accélération angulaire.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Le gyromètre est réalisé sous forme de système microélectromécanique ou MEMS (Microelectromechanical System en terminologie anglo-saxonne).

Sur la figure IA, on peut voir un exemple de gyromètre G1 selon l'invention.

Le gyromètre G1 comporte un support 2, une masse mobile 4 et des moyens de suspension 6 de la masse par rapport au support. Les moyens de suspension 6 sont tels que la masse mobile 4 se déplace principalement dans le plan XY du capteur. Le plan du capteur est un plan parallèle au support.

Dans cet exemple de réalisation, les moyens de suspension 6 comportent un pied ancré sur le support par une première extrémité longitudinale 6.1 et fixé à la masse 4 par une deuxième extrémité longitudinale 6.2. Le pied est fixé à la masse mobile 4 au niveau d'une face 4.1 de celle-ci en regard du support 2.

Dans l'exemple représenté, la masse mobile 4 a une forme de parallélépipède rectangle, l'une des faces de plus grande surface étant en regard du substrat, et le pied s'étend longitudinalement dans une direction Z orthogonale au plan XY.

Dans cet exemple, le pied a une section circulaire dans le plan XY. Le pied est tel qu'il est apte à se déformer en flexion pour permettre à la masse de se déplacer et de vibrer dans le plan XY, d'une part sous l'action des moyens d'excitation, et d'autre part sous l'effet des forces de Coriolis W _z .

Sur la figure 10, on peut voir un gyromètre de l'état de la technique. Il comporte un cadre 300 suspendu par des ressorts 302 s'étendant latéralement entre le cadre 300 et le substrat 304, et une masse mobile 306 suspendue dans le cadre 300 par des ressorts 308 s'étendant latéralement entre la masse mobile 306 et le substrat 304. Le cadre 300 et la masse mobile sont mobiles dans la direction d'excitation X et la masse mobile est mobile dans la direction de détection Y.

Grâce à l'invention, la rigidité est réglée principalement par les caractéristiques du pied, tandis que la masse du résonateur est fixée principalement par les dimensions de la masse mobile.

En outre, le pied forme à la fois les moyens de suspension de la masse pour lui permettre de se déplacer dans la direction d'excitation sous l'action des moyens d'excitation, et de se déplacer dans la direction d'actionnement sous l'effet des forces de Coriolis, alors qu'un gyromètre de l'état de la technique tel que représenté sur la figure 10 requiert à la fois des moyens de suspension autorisant les mouvements de la masse dans la direction d'excitation et des moyens de suspension autorisant les mouvements de la masse dans la direction de détection.

Par exemple, la direction d'excitation est la direction X et la direction de détection est la direction Y.

La masse du résonateur est principalement celle de la masse mobile, la masse du pied représentant une faible part de la masse du résonateur. L'ensemble masse et pied forme un résonateur ayant au moins deux modes de vibration orthogonaux.

De manière avantageuse, le mode d'excitation et le mode de détection sont tous deux des modes de résonance, ainsi le déplacement de la masse dans la direction de détection est amplifié. Dans une variante avantageuse, les fréquences de résonance des deux modes sont proches, par exemple la fréquence de résonance de chaque mode est contenue dans la bande passante de l'autre mode. Par exemple, si on considère fl la fréquence de résonance du mode 1 et Q.1 son facteur de qualité, et f2 la fréquence de résonance du mode 2 et Q.2 son facteur de qualité, alors on choisit de préférence Ifl - f2l < (fl/Q.1) et Ifl - f2l < (f2/Q.2).

De manière préférée, les deux modes ont la même fréquence de résonance.

De manière avantageuse, le résonateur comportant la masse et le pied présente au moins deux axes de symétrie dans le plan, l'un des axes étant la direction d'excitation et l'autre axe étant la direction de détection, la masse est alors par exemple un parallélépipède rectangle ou carré, le pied peut alors avoir une section carrée ou rectangulaire ou circulaire. Le pied est centré par rapport à la masse. Sur la figure IA, le pied est fixé à la masse au point d'intersection des diagonales de la face de la masse.

En variante, la masse a une section ellipsoïdale dans le plan XY ou toute autre forme polygonale présentant deux axes de symétries orthogonaux.

Dans un autre exemple avantageux, la masse et le pied présentent une symétrie centrale par rapport à la direction hors-plan. Par exemple, le gyromètre G2 comporte une masse 4' ayant une section circulaire dans le plan (figure 2) et le gyromètre G3 comporte une masse de forme sphérique 4 (figure 3A).

Dans un autre exemple de réalisation, seul un des modes est un mode résonant, dans ce cas c'est de préférence le mode d'excitation. L'amplitude des mouvements dans la direction de détection est faible comparée à celle pour un résonateur à deux modes résonants, mais il présente l'avantage de ne pas nécessiter de développer un résonateur à deux modes orthogonaux de fréquences proches, ce qui permet d'éviter la mise en œuvre d'une méthode de réglage de la fréquence post fabrication.

Le gyromètre comporte également des moyens d'excitation 8 de la masse mobile dans la direction d'excitation, la direction X dans l'exemple représenté, et des moyens de détection 10 du déplacement de masse sous l'effet des forces de Coriolis, la direction Y dans l'exemple représenté. Des exemples de moyens d'excitation et des moyens de détection seront décrits ci-dessous. Sur la figure IB, on peut voir représenté schématiquement un mode de vibration du résonateur de la figure IA, qui a lieu essentiellement dans le plan XY. Il sera compris que, puisque le pied est déformé en flexion et ne s'allonge pas, le masse a un déplacement hors-plan, mais celui-ci est très faible, il n'est pas détecté et ne perturbe pas la mesure du déplacement dans le plan.

Sur la figure IA, la masse mobile 4 est symétrique dans le plan XY, dans l'exemple représenté elle a une forme carrée dans le plan XY et en outre elle présente une épaisseur uniforme, ce qui permet d'avoir des fréquences de résonance proches ou égales dans les deux modes de vibration.

La section du pied dans le plan XY est au plus égale à la section de la masse dans le plan XY. De préférence, la section du pied est de l'ordre de l/100 ^ème de la section de la masse.

De préférence, les moyens de suspension comportent un seul pied, ce qui permet d'avoir une fréquence de résonance basse et une amplitude de mouvement Adrive élevée.

Selon un autre exemple, le gyromètre comporte plusieurs pieds supportant la masse mobile. Par exemple, lorsque la masse mobile présente une grande surface dans le plan XY, les moyens de suspension comportent plusieurs pieds répartis sous la masse. La section totale des pieds dans le plan XY est inférieure ou égale à la section de la masse dans le plan.

Le ou les pieds ont une longueur au moins égale à sa dimension la plus large dans le plan XY, par exemple, son diamètre dans le cas d'un pied circulaire, ou bien le côté plus long dans le cas d'un pilier rectangulaire. De préférence, les pieds ont une longueur égale ou supérieure à dix fois la dimension la plus large dans le plan XY.

A titre d'exemple, la masse mobile a une surface comprise entre l pm x 1 pm et 500 pm x 500pm, et une épaisseur comprise entre 1 pm et 500 pm, et la surface de chaque pied peut être comprise entre 50 nm x 50 nm et à 100 pm x 100 pm. La longueur du ou des pieds est comprise entre 50 nm et 100 pm.

De préférence, la masse mobile est réalisée au moins en partie dans un matériau présentant une masse volumique élevée afin de maximiser la masse et donc l'effet des forces de Coriolis sur la masse mobile. Par exemple, on choisit du silicium qui a une masse volumique de 2300 kg/m ³ ou bien du tantale, qui a une masse volumique de 16690 kg/m ³ .

De manière avantageuse, le ou les pieds sont réalisés en un matériau rigide, i.e. présentant un module d'Young élevé, de plus de 100 GPa. En outre, avantageusement il s'agit d'un matériau isotrope, par exemple cristallin, de sorte à offrir le même comportement dans la direction d'excitation et dans la direction de détection. Par exemple, on choisit du silicium, qui est un matériel cristallin avec un module d'Young de 130-188 GPa.

Le substrat, les pieds et la masse mobile peuvent être réalisés dans le même matériau ou des matériaux différents.

La masse peut présenter toute forme polyédrique ou non, et le ou les pieds peuvent présenter une section polygonale ou quelconque.

Dans les exemples des figures IA à 3A, le pied ou les pieds a ou ont une section constante le long de la direction Z. Selon un autre exemple, on peut envisager qu'il présente une section variable le long de la direction Z. En outre, l'axe de chaque pied peut ne pas être orthogonal au plan XY dans lequel est contenue la masse mobile, et former un angle avec celui, par exemple compris entre 60° et 90%

A titre d'exemple, la structure de gyromètre comporte un pied cylindrique à section circulaire et une masse mobile en forme de parallélépipède à base carrée, le pied se rattachant à une face du cube au point d'intersection de ses diagonales et l'axe du pied est orthogonal à ladite face. Le pied a un diamètre de 1 pm et une longueur de 2 pm. La masse a une section de 5 pm de côté dans le plan XY et une épaisseur de 3 pm le long de la direction Z. La structure a deux modes de résonance orthogonaux ayant pour fréquence de résonance 27,5 MHz.

Comme cela a été mentionné ci-dessus, un gyromètre selon l'invention peut comporter plusieurs pieds suspendant la masse mobile par rapport au substrat. Dans un exemple de réalisation représenté sur la figure 3B, le gyromètre comporte quatre premiers pieds 106 positionnés et/ou dimensionnés pour favoriser le déplacement selon la direction d'excitation, et un ou plusieurs deuxièmes pieds positionnés et/ou dimensionnés pour favoriser le déplacement de la masse mobile dans la direction de détection. Cette réalisation présente l'avantage d'assurer la stabilité mécanique de la structure quand les pieds sont très longs, ou lorsque la section de la masse est beaucoup plus large que celle du pied.

Nous allons maintenant décrire des moyens d'excitation de ladite masse, i.e. des moyens d'actionnement de la masse de sorte à la mettre en mouvement dans la direction d'excitation.

Sur la figure 4, on peut voir un exemple de réalisation dans lequel les moyens d'excitation 8 sont de type électrostatique. Ils comportent une électrode 12 portée par le substrat et disposée en regard d'une face latérale 4.2 de la masse mobile, la face latérale et l'électrode étant perpendiculaires à l'axe d'excitation, l'axe X dans le présent exemple.

Dans le cas où la masse est en un matériau conducteur électrique, la face latérale 4.2 forme également une électrode. En appliquant une différentielle de potentiel modulée à la fréquence de résonance, une force électrostatique modulée à la fréquence de résonance est générée dans la direction X, mettant en vibration la masse mobile à sa fréquence de résonance dans la direction X. Dans le cas où la masse mobile n'est pas en un matériau conducteur électrique, un dépôt conducteur est réalisé sur la face latérale pour former une électrode. Selon une variante avantageuse, l'électrode est mise en regard d'une face du pied, ainsi les moyens d'excitation n'augmentent pas l'encombrement dans le plan du gyromètre.

Dans un autre exemple de réalisation, les moyens d'excitation sont de type piézoélectrique, par exemple ils comportent un matériau piézoélectrique déposé sous forme de couche sur une face du pied orientée de sorte que, lorsqu'un courant modulé à la fréquence de résonance traverse la couche piézoélectrique, le pied et donc la masse sont mis en vibration dans la direction X.

Dans un autre exemple de réalisation, les moyens d'excitation sont de type thermique. Par exemple, ils comportent une poutre suspendue entre le substrat et le pied, qui s'étend dans la direction X. Lorsqu'un courant traverse la poutre, le matériau de la poutre s'échauffe et se dilate dans la direction X. En modulant le courant à la fréquence de résonance, la poutre se dilate et se contracte le long de la direction X provoquant un déplacement d'aller et retour du pied dans la direction X et une mise en vibration de la masse mobile. Dans cet exemple, la poutre est par exemple un nanofil, qui a un temps de réponse thermique beaucoup plus rapide que la fréquence du courant de modulation. En variante la poutre est en matériau piézoélectrique. En variante, la poutre est suspendue entre le substrat et une face latérale de la masse mobile, la poutre étant alignée avec la direction X. Dans un autre exemple, les moyens d'actionnement comportent plusieurs poutres orientées les unes par rapport aux autres de sorte que la force résultante appliquée au pied soit orientée selon la direction X.

En variante, on réalise l'excitation de la masse mobile au moyen des pieds, par exemple on réalise quatre pieds dont deux sont en matériau piézoélectrique, ou dont deux présentent une section réduite par rapport aux deux autres pieds et sont adaptés à un actionnement thermique.

Dans un autre exemple, le gyromètre est disposé sur un support qui peut être mis en vibration à la fréquence de résonance, par exemple à l'aide de moyens piézoélectriques, également appelés « shaker piézoélectrique ».

Nous allons maintenant décrire des exemples de moyens de détection du déplacement de la masse mobile dans la direction de détection sous l'effet des forces de Coriolis.

Sur la figure 5, on peut voir un exemple de gyromètre selon l'invention mettant en œuvre des moyens de détection 10 de type capacitif. Dans cet exemple, ils comportent une électrode 22 disposée à proximité de la masse de sorte que la distance entre la masse et l'électrode varie lorsque la masse se déplace dans la direction de détection Y. On suppose que la masse mobile est conductrice électrique et forme directement l'autre électrode. Sinon une couche conductrice électrique est réalisée pour former l'autre électrode. La masse mobile et l'électrode sont séparées par de l'air ou du vide formant un diélectrique, et forment un condensateur dont la capacité varie avec le déplacement de la masse mobile le long de la direction Y. L'électrode ou la masse est polarisée par exemple à 0 V. La vibration de la masse mobile du fait des forces de Coriolis dans la direction Y, provoque une variation de la capacité du condensateur, et crée un courant proportionnel à l'amplitude de vibration de la masse à travers de l'électrode. Les moyens de détection comportent des moyens pour mesurer ce courant, par exemple un amplificateur de transimpédance et un analyseur de spectres. A partir de ce courant, il est possible de remonter aux forces de Coriolis. Plusieurs électrodes peuvent être mises en œuvre, par exemple pour réaliser une mesure différentielle.

Dans un autre exemple de réalisation représenté sur la figure 6, les moyens de détection 110 sont de type piézorésistif. Par exemple les moyens de détection comportent une poutre 24 en matériau piézorésistif suspendue entre le substrat et le pied une tension constante est appliquée à la poutre 24, la compression et l'extension subies par la poutre provoquent une variation de la résistance électrique de la poutre. Le courant de sortie est alors proportionnel à la résistance de gauges, qui varie à la fréquence de vibration du résonateur. Plusieurs poutres piézorésistives peuvent être mises en œuvre, par exemple pour réaliser une mesure différentielle. Le pied peut servir à conduire le courant ou une piste conductrice est formée le long du pied.

La même poutre peut servir à l'actionnement dans une direction et à la détection dans cette direction, de préférence la poutre est parallèle à cette direction. Au moins une poutre est prévue pour l'excitation dans une direction et une poutre est prévue pour la détection dans une autre direction. Par exemple une poutre parallèle à la direction X sert à l'excitation et à la détection dans la direction X et une poutre sert à l'excitation et à la détection dans la direction Y. Ainsi avec deux poutres on réaliser un gyromètre deux axes.

Les poutres peuvent être en matériau piézorésistifs et/ou piézoélectriques.

Sur la figure 7, on peut voir un exemple avantageux d'un gyromètre selon l'invention vu de dessus.

Dans cet exemple les moyens de détection sont de type optomécanique.

Les moyens de détection 210 comportent un résonateur optique 14, dans cet exemple un anneau disposé par rapport à la masse mobile de sorte qu'elle se déplace dans le champ évanescent (symbolisé par le cercle en pointillés) de l'anneau, qui est typiquement de l'ordre de plusieurs centaines de nanomètres pour une lumière avec une longueur d'onde de 1550 nm. Dans cet exemple la masse est située à une distance comprise entre 50 nm et 200 nm du bord de l'anneau. Ils comportent également un guide d'onde 16 situé à proximité de l'anneau et destiné à injecté un signal lumineux d'entrée dans le résonateur et à récupérer un signal lumineux de sortie. Une source 18 génère le signal lumineux dans le guide d'onde, par exemple à une extrémité du guide d'onde et un détecteur 19, par exemple à l'autre extrémité du guide d'onde, collecte le signal lumineux sortant de l'anneau.

La masse qui est mise en mouvement le long de la direction X, sous l'effet des forces de Coriolis, est déplacée selon la direction Y dans le champ évanescent de l'anneau, ce qui a pour effet de modifier les propriétés optiques du résonateur optique, et notamment sa fréquence de résonance optique, il en résulte une modulation de l'intensité de la lumière proportionnelle au mouvement de la masse mobile. Par exemple, le détecteur utilise des techniques spectrométriques, il est possible de détecter cette modulation d'intensité du signal lumineux de sortie. A partir de ces mesures, il est possible de remonter aux forces de Coriolis.

En variante, un guide d'onde pour le signal lumineux d'entrée et un guide d'onde pour collecter le signal lumineux de sortie sont mis en œuvre.

Dans un autre exemple, le résonateur optique est situé sous la masse et à proximité du support, et c'est le mouvement du support qui modifie la fréquence de résonance optique.

Dans un autre exemple, un résonateur optique est mis en œuvre pour détecter les déplacements selon Y de plusieurs résonateurs mécaniques, par exemple les masses mobiles sont disposées autour de l'anneau dans le champ évanescent de celui-ci. Dans ce cas, des techniques de multiplexage, par exemple multiplexage de temps ou bien multiplexage de fréquence de résonance, sont mises en place pour distinguer le déplacement de chaque masse mobile.

En variante, l'anneau est remplacé par un disque optique

Dans un autre exemple de détection optique, le mouvement du résonateur est mesuré avec des techniques d'interférométrie. Dans ce cas, une source de lumière laser est séparée en deux chemins différents, un des chemins contenant le résonateur optique et le MEMS résonant et l'autre agissant comme chemin de référence. Quand le MEMS fait varier la fréquence de résonance optique, il module aussi la phase de la lumière en sortie du résonateur. Quand on combine la lumière en sortie du résonateur avec le chemin de référence, l'interférence entre les deux signaux provoque une modulation de l'intensité de la lumière de sortie proportionnelle au mouvement du MEMS.

La mise en œuvre de moyens de détection optomécanique permet d'améliorer les performances du gyromètre par rapport à des moyens de détection électrique. En effet ils permettent d'atteindre une bande passante plus élevée que celle atteignable par des moyens de détection électrique.

Il sera compris que les différents exemples de moyens d'excitation et les différents exemples de moyens de détection peuvent être combinés selon les besoins. Par exemple, le gyromètre peut mettre en œuvre des moyens d'excitation piézoélectriques et des moyens de détection optomécaniques ou des moyens d'excitation piézoélectriques et des moyens de détection piézorésistifs.

En variante les moyens d'excitation et sont situés sous la masse et agissent directement sur la masse /ou les moyens de détection sont situés sous la masse et mesurent directement les vibrations de la masse. Cette disposition offre également une grande compacité.

On peut également mesurer le déplacement de la masse mobile dans la direction d'excitation, ainsi on peut vérifier si le mode d'excitation et le mode de détection sont à la même fréquence, et on peut également mesurer l'amplitude de mouvement du mode d'excitation.

De manière très avantageuse, l'invention comporte des moyens de réglage de la fréquence de l'un et/ou des deux modes.

Par exemple, dans le cas d'un gyromètre présentant deux modes en résonance, les moyens de réglage comportent des mécanismes pour régler la fréquence de résonance d'au moins un des deux modes.

Dans un exemple de réalisation représenté sur la figure 8, les moyens de réglage 26 sont de type électrostatique, ils comportent une électrode 28 située sur le substrat en regard d'un bord de la masse mobile 4 et de sorte que la force électrostatique produite soit alignée avec le mode dont on veut ajuster la fréquence de résonance. En appliquant une tension continue entre l'électrode et la masse mobile, une force électrostatique attire la masse mobile vers l'électrode, ce qui déforme le pied et provoque une modification de la fréquence de résonance du mode qui est aligné avec elle. En variante, l'électrode est directement en regard du pied pour le déformer. La déformation est appliquée au moins pendant toute la durée de la mesure.

Dans un autre exemple de réalisation, les moyens de réglage comportent une poutre conductrice électrique suspendue entre le pied et une surface fixe et alignée avec la direction du mode dont la fréquence est à régler. Le passage d'un courant dans la poutre provoque son échauffement qui se dilate et applique une force contre le pied, qui déforme le pied. Il en résulte une fréquence de résonance du mode aligné avec la poutre.

Dans un autre exemple d'implémentation, le pied est déformé au moyen d'une poutre en matériau piézoélectrique.

Dans un autre exemple, les moyens de réglage permettent de régler les fréquences des deux modes.

Ces moyens de réglage permettent de régler au moins la fréquence de l'un des modes de sorte à avoir des fréquences de résonance égales. En effet, du fait des imperfections/imprécisions lors de la fabrication du dispositif, les fréquences de résonance des deux modes peuvent être différentes. Grâce à ces moyens, il est possible de pallier ces imperfections/imprécisions et de régler l'une des deux fréquences après fabrication pour qu'elle soit proche ou égale de l'autre fréquence.

De manière avantageuse, on applique un signal qui combine le réglage et l'excitation. Le signal comporte une composante continue assurant le réglage et une composante variable assurant l'excitation.

Grâce à l'invention, il est possible de réduire la surface de la masse mobile pour réduire l'encombrement dans le plan du gyromètre sans détériorer ses performances. En outre, en mettant en œuvre de moyens d'excitation et de détection au niveau du ou des pieds, l'encombrement du capteur dans le plan est limité à celui de la masse. Il est à noter que grâce à l'invention, le gyromètre de la figure 4 mettant en œuvre un résonateur optique disposé sur un côté de la masse mobile, à performances équivalentes présente un encombrement dans le plan au plus égal à un gyromètre de l'état de la technique de la figure 10.

Dans un exemple d'implémentation, le gyromètre travaille dans un mode de résonance « torsion », dans lequel la masse sismique est excitée de sorte à tourner dans le plan X-Y, avec un mouvement circulaire centré sur le centre de masse de la masse sismique, par exemple, le centre du cercle pour une masse sismique circulaire, le centre du carré pour une masse sismique carrée. Dans cet exemple d'implémentation, lorsque le gyromètre est soumis à une accélération angulaire, la masse subit une force dans la direction Z et s'incline par rapport à la direction Z. Comme dans les modes de fonctionnement en déplacement dans les directions X ou Y, toute la déformation de la structure est subie par le ou les pieds, et la masse sismique ne subit pas de déformation. De manière avantageuse, la structure en mode torsion a un seul pied situé sous le centre de la masse de la structure, de sorte que la structure soit très souple en torsion. Dans ce cas, lors de l'excitation le pied subit une déformation en pure torsion autour de l'axe Z, sans aucun déplacement dans les directions X et Y. Dans cet exemple d'implémentation, l'excitation en mode torsion peut être obtenue par des moyens électrostatiques comportant des peignes électrostatiques interdigités, au moins un peigne étant fixé au pied ou à la masse et au moins un peigne est fixé au support. Lors de l'apparition d'une accélération angulaire, le mouvement de la masse peut être déduit soit à travers le mouvement du pied, qui est déformé en flexion du fait du déplacement hors-plan de la masse seulement dans le cas de l'apparition d'une accélération angulaire. La déformation en flexion est par exemple détectée par une détection du mouvement de la masse dans la direction Z par exemple, avec une détection électrostatique ou bien optomécanique, l'élément sensible étant situé sous la masse. En variante, les moyens de détection détectent la flexion du pied. Sur les figures 11A et 11B, on peut voir schématisé un exemple de gyroscope travaillant dans un mode de résonance « torsion ». Sur la figure 11A, la masse 204 est excitée en rotation autour de l'axe Z par les moyens d'excitation 208, avantageusement situés sous la masse et par exemple agissant directement sur la masse, aucune accélération angulaire ne lui est appliquée. Le pied 206 est déformé en torsion. Sur la figure 11B, suite à la survenance d'une accélération angulaire, la masse vibre dans la direction Z, le pied 206 est déformé en flexion, et les vibrations sont détectées par les moyens de détection 210 avantageusement situés sous la masse et par exemple, mesurent directement le déplacement de la masse par mesure d'une variation de capacité.

Un exemple de procédé de réalisation d'un gyromètre selon l'invention va maintenant être décrit.

A partir d'un substrat 400, par exemple en matériau semi-conducteur, tel que le silicium (figure 9A), on forme une couche sacrificielle, par exemple en Si0 ₂ , par exemple par dépôt, par exemple, dépôt chimique en phase vapeur, ou bien par oxydation (figure 9B).

Lors d'une étape suivante, on structure la couche sacrificielle 402 pour former le pied, pour cela on réalise une cavité 404 débouchant sur le substrat 400, par exemple par photolithographie et gravure.

L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 9C.

Lors d'une étape suivante, on forme dans la cavité et sur la couche sacrificielle 402 une couche de matériau semi-conducteur 406, par exemple du silicium amorphe. La couche 406 est par exemple formée par dépôt, par exemple par un dépôt chimique en phase vapeur. L'épaisseur de la couche 406 sur la couche sacrificielle 402 est avantageusement celle de la masse mobile que l'on souhaite réaliser.

L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 9D.

Lors d'une étape suivante, la couche 406 est structurée pour délimiter la masse mobile. Des tranchées débouchant sur la couche sacrificielle 402 sont formées délimitant le bord extérieur de la masse mobile. Cette structuration est par exemple réalisée par photolithographie et gravure, par exemple une gravure ionique réactive ou bien une gravure de KOH en phase liquide.

L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 9E. Lors d'une étape suivante, la masse mobile et son pied sont libérés en gravant la couche sacrificielle 402, par exemple par gravure humide par exemple avec de l'acide fluorhydrique.

L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 9F et 9G (vue de dessus). On peut voir que simultanément le substrat a été structuré pour réaliser des électrodes en regard du bord de la masse mobile alignées avec la direction X, par exemple pour former des moyens de réglage de la fréquence de résonance du mode d'excitation et/ou des moyens d'excitation.

Dans un autre exemple de réalisation, la couche 406 en silicium amorphe est rendue conductrice, par exemple par dopage et traitement thermique, par exemple pour utiliser la masse dans la détection du déplacement.

Dans un autre exemple de réalisation, une couche supplémentaire est formée sur la couche 406, par exemple en un matériau présentant une masse volumique élevée par exemple du tungstène, pour augmenter la masse de la masse mobile et ainsi améliorer la performance du gyromètre.