ÉPREUVE COMMUNE DE TIPE - Partie D

TITRE : Centrale d'attitude : coupler magnétomètres et accéléromètres

Temps de préparation : ……………..….2 h 15 minutesTemps de présentation devant le jury : …….10 minutesEntretien avec le jury : ……………………..10 minutes

GUIDE POUR LE CANDIDAT :

Le dossier ci-joint comporte au total : …. 18 pages Guide candidat : 1 page Document principal : 14 pages Annexe (lexique): 2 pages

Travail suggéré au candidat :

Après avoir brièvement présenté la structure et les principaux éléments de l'ensemble du dossier, le candidat pourra par exemple :

• soit approfondir la partie présentation mathématique de l'attitude,• soit développer la partie capteurs intégrés.

CONSEILS GENERAUX POUR LA PREPARATION DE L'EPREUVE :

• Lisez le dossier en entier dans un temps raisonnable.

• Réservez du temps pour préparer l'exposé devant les examinateurs.

• Vous pouvez écrire sur le présent dossier, le surligner, le découper … mais tout sera à remettre aux examinateurs en fin d’oral.

• En fin de préparation, rassemblez et ordonnez soigneusement TOUS les documents (transparents, etc.) dont vous comptez vous servir pendant l’oral, ainsi que le dossier, les transparents et les brouillons utilisés pendant la préparation. En entrant dans la salle d'oral, vous devez être prêt à débuter votre exposé.

• A l'issue de l'épreuve, vous devez remettre au jury le dossier scientifique. Tout ce que vous aurez présenté au jury pourra être retenu en vue de sa destruction.

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I.- Introduction

La boussole fut inventée par les Chinois au premier siècle de notre ère.

Généralement constituée d’une aiguille aimantée tournant librement dans un plan

horizontal, la boussole s’oriente automatiquement selon les lignes de champ magnétique

de la Terre. La boussole peut ainsi être considérée comme le premier capteur

magnétique dont l’usage a été un instrument d’aide à la navigation maritime - en fait à

l’analyse de mouvements dans un plan horizontal - en utilisant un repère de référence

gratuit et présent partout : le champ magnétique terrestre. Grâce à l’évolution de la

microélectronique et des micro-systèmes, il est désormais possible de réaliser des

micro-capteurs magnétiques. Différents principes de mesure sont appliqués : effet Hall,

microfluxgate, magnétorésistance géante. Dans tous les cas, les dimensions

millimétriques atteintes permettent d’intégrer ces capteurs dans des objets comme des

montres.

Le second champ terrestre de référence est le champ de gravité généré par la

force d’attraction de la Terre. Depuis longtemps, ce champ est utilisé par les maçons

pour garantir la verticalité des murs avec le célèbre “fil à plomb”. De la même façon,

avec un pendule il est possible d’évaluer les mouvements par rapport à la verticale. La

méthode moderne pour mesurer la force de gravité est l’emploi d’un accéléromètre qui,

dans une configuration statique, ne mesure que cette force. Comme pour les capteurs

magnétiques, les micro-accéléromètres sont fabriqués dans des technologies de

production collective issues de la microélectronique (les micro-électroniciens parlent

souvent de MEMS*: Micro-Electro-Mechanical Systems pour désigner les micro-

capteurs mécaniques). L’usage le plus répandu des micro-accéléromètres est la détection

d’impact dans l’airbag automobile.

L’association des capteurs de mesure de champ magnétique et des

accéléromètres conduit à un dispositif sensible à la fois aux mouvements de rotation

dans le plan horizontal et aux mouvements d’inclinaison par rapport à la verticale. Il est

alors possible, par un calcul mathématique de calculer des angles de rotation dans un

repère tridimensionnel, à savoir les angles de lacet, de roulis et de tangage.

* Voir annexe

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II.- Représentation de l'attitude d'un système

1. - Généralités

Le mouvement d'un solide par rapport à un référentiel fait intervenir six

coordonnées, qui sont, par exemple, les trois coordonnées décrivant la position de son

centre de masse (ou d'un point quelconque du solide) et trois angles (par exemple les

angles d'Euler, introduits plus loin dans ce dossier). Ces derniers peuvent aussi servir à

représenter l'orientation d'un solide par rapport à un repère ; on peut les voir comme une

généralisation des coordonnées sphériques.

On définit ainsi l'attitude - ou l'orientation - d'un objet ou d'un système, comme

la direction des axes de cet objet (trièdre mobile : X', Y', Z') par rapport à un trièdre de

référence (X, Y, Z). Ces deux trièdres seront appelés repères ou bases par la suite.

Dans le cas d'application grand public, le référentiel utilisé est généralement le

référentiel NED (Nord, East, Down). Il est défini à partir d'un plan tangent à la surface

de la terre et les vecteurs unitaires (X,Y et Z) sont orientés respectivement en direction

du Nord, de l'Est et du centre de la terre.

Il existe plusieurs représentations possibles de l'orientation dans l'espace d'un

objet. Les plus connues sont les angles d'Euler, les angles de Cardan et les quaternions.

Chacune possède des avantages et des inconvénients et le choix d'une représentation

dépendra de l'application visée.

2. - Angles d'Euler

On s'intéresse à la description du mouvement d'un solide en rotation quelconque

autour du point O, qui peut être un point fixe du solide dans le référentiel de référence

Oxyz ou le centre de masse.

Les angles d'Euler sont choisis de façon à permettre une mémorisation simple de

la construction du vecteur rotation instantané du solide.

On passe du référentiel fixe Oxyz au référentiel lié au solide Ox'y'z' par trois

rotations successives (cf figure 1) :

• La précession ψ, autour de l'axe Oz, fait passer de Oxyz au référentiel Ouvz.

• La nutation θ autour de l'axe Ou, fait passer de Ouvz à Ouwz'.

• La rotation propre φ, autour de l'axe Oz', fait passer de Ouwz’ au référentiel lié

au solide Ox'y'z’.

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Dans ces conditions le vecteur rotation instantané du solide est donné par la

simple somme : = zuz ' eq. 1

Figure 1 : Angles d'Euler

Ces rotations sont généralement décrites sous forme de matrices de rotation

(Direction Cosine Matrix : DCM), de même, un vecteur est représenté par ses

coordonnées vectorielles. Ainsi le vecteur t de coordonnées (x, y, z) dans le

référentiel R aura les coordonnées (x', y', z') dans la base mobile M :

t =[x 'y 'z ' ]M=Rz ' .Ru. Rz. [xyz ]R eq. 2

Avec Rz' la matrice de rotation autour de l'axe Z' et d'angle ψ, Ru la matrice de

rotation autour de l'axe u et d'angle θ et Rz la matrice de rotation autour de l'axe Z et

d'angle φ. (Eq. 3)

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Rz '=[ cos sin 0−sin cos 0

0 0 1 ] Ru=[1 0 00 cos sin 0 −sin cos]

Rz=[ cos sin 0−sin cos 0

0 0 1] eq. 3

On note R3-1-3 le produit matriciel des trois matrices : rotation autour du

3ème axe du trièdre (O,x,y,z), puis autour du 1er axe du trièdre (O,u,v,z) et pour finir

autour du 3ème axe de (0,u,w,z').

Les angles d'Euler sont très souvent utilisés pour représenter l'attitude d'un objet

de par leur simplicité d'utilisation. Cependant ils présentent des points singuliers qui

empêchent le calcul de l'orientation dans certaines positions. En effet lorsque la

deuxième rotation, autour de l'axe u est nulle ou multiple de π, il est impossible de

différencier les 2 autres rotations car dans ce cas les axes Z et Z' sont confondus.

On peut étendre le principe des 3 rotations successives et définir 6 jeux de

rotations "symétriques" : {R1-2-1, R1-3-1, R2-1-2, R2-3-2, R3-1-3, R3-2-3} et 6 jeux de

rotations "anti-symétriques" : {R1-2-3, R1-3-2, R2-1-3, R2-3-1, R3-1-2, R3-2-1}, ce dernier

ensemble, utilisant les 3 axes de rotation, correspond aux angles de Cardan. Le jeux le

plus classique est le R3-2-1 .

3. Angles de Cardan

Ces angles de cardan sont très utilisés en aéronautique et sont plus connus sous

le nom d'angle de roulis (autour de X), de tangage (autour de Y) et de lacet (autour de

Z). D'ailleurs la convention aérospatiale considère la transformation "3-2-1" comme

transformation de référence.

Les angles de Cardan sont également représentés par leurs matrices de rotations

respectives.

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Comme les angles d'Euler, les angles de Cardan présentent des points singuliers

connus sous le terme de "blocage de Cardan" ("Gimbal's lock" en anglais). Ces points

singuliers apparaissent lorsque le deuxième angle θ est égal à ±π/2. Des techniques

existent pour contourner ces points comme par exemple le changement de référence à

leur approche.

Le domaine de définition des angles est donné par la convention aéronautique :

- l'angle φ (lacet) entre [-π,π]

- l'angle θ (tangage) entre [-π/2, π/2]

- l'angle ψ (roulis) entre [-π,π]

D'autres représentations, que nous ne développerons pas ici, existent comme par

exemple la représentation par quaternions (quadruplet de nombres réels) qui a l'avantage

de ne pas présenter de points singuliers.

III. Principe de mesure de l'attitude.

Afin de déterminer l'attitude d'un système, il faut être capable de mesurer des

grandeurs physiques dans la base mobile, dont les valeurs sont connues dans celle de

référence. Ce problème a été soulevé par Wahba en 1965 qui a montré que la mesure de

deux vecteurs non colinéaires et non nuls dans les deux bases suffit à déterminer

l'attitude d'un solide.

Plusieurs type de vecteurs peuvent être utilisés. Par exemple dans beaucoup

d'applications spatiales les vecteurs choisis pointent la direction d'étoiles fixes par

rapport au système. (Star Tracker).

En revanche pour un système terrestre les vecteurs mesurables sont le champ

gravitationnel g et le champ magnétique terrestre B . Ces deux champs sont non

colinéaires sur l'ensemble de la surface terrestre à l'exception des pôles Nord et Sud

magnétiques. Lorsque l'axe X du référentiel NED est orienté vers le nord magnétique

plutôt que vers le nord géographique, les coordonnées de ces deux vecteurs peuvent

s'écrire simplement :

g=[00g]et B=[Bh0Bv] eq. 4

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La valeur du champ gravitationnel est bien connue et à peu près uniforme sur

toute la surface du globe (g = 9,81 m/s2). La valeur du champ magnétique terrestre est

également bien connue, en revanche elle n'est pas uniforme. A Paris sa valeur vaut

B = 47µT. Notons également que l'inclinaison dépend de notre position sur la terre et est

estimée à 64° environ à Paris. On en déduit Bh = 20,60µT et Bv = 42,24µT les

composantes horizontale et verticale du champ magnétique.

Les deux champs étant connus dans le référentiel, il faut mesurer leurs valeurs

dans les trois axes de la base mobile. On va utiliser pour cela des magnétomètres et des

accéléromètres trois axes.

Méthode analytique

Si l'on note Ax, Ay, Az les mesures des accéléromètres et Mx, My, Mz les

mesures des magnétomètres on peut écrire les équations de ces capteurs en utilisant une

matrice de transformation R. Celle-ci peut être une des matrices présentées

précédemment (Euler, Cardan, quaternions).

[AxAyAz]=R.g=[R11 R12 R13

R21 R22 R23

R31 R32 R33]. [00g ] eq. 5

[MxMyMz ]=R. B=[R11 R12 R13

R21 R22 R23

R31 R32 R33].[Bh

0Bv ]

Le développement du produit matriciel nous amène au système d'équations

suivants :

Ax=R13 .g Mx=R11 . BhR13 . Bv

Ay=R23 . g My=R21 . BhR23 . Bv eq. 6

Az=R33 .g Mx=R31 . BhR33 . Bv

La résolution de ce système, 6 équations à 6 inconnues, nous donne uniquement

les éléments de la première et de la troisième colonne de la matrice de transformation.

La convention choisie pour représenter l'attitude doit nous permettre de calculer un jeu

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unique d'angles d'Euler (ou de Cardan ou un unique quaternion) à partir du système

d'équations précédent, afin de trouver sans ambiguïté les 3 éléments manquants de la

matrice.

Étant donné l'influence des mesures des capteurs dans le calcul, il est judicieux

de choisir une matrice dont les équations sont simples pour les éléments de la première

et de la troisième colonne. Nous prendrons pour la suite la convention aérospatiale avec

les angles de Cardan (R3-2-1)

On en déduit le système d'équation suivant (les champs et les sensibilités sont

normalisés) :

Ax=−sinAy=sin . cos Az=cos . cos

Mx=cos . cos . Bh−sin . BvMy=sin. sin . cos −cos . sin . Bhsin. cos. Bv

Mz=cos. sin . cos sin . sin. Bhcos . Bv

eq. 7

Du fait de leur domaine de définition il faut identifier à partir de ces équations le

cosinus et le sinus de l'angle φ (défini sur [-π,+π]), le sinus de l'angle θ (défini sur

[-π/2,+π/2]) et le cosinus et le sinus de l'angle ψ (défini sur [-π,+π]). On remarque que

les calculs précédents ne nécessitent en fait que cinq capteurs. Mz n'est pas utilisé.

Lorsque l'angle θ est égal à ±π/2 le calcul des angles ψ et φ est impossible (c'est

le blocage de Cardan). Par contre lorsque l'angle ψ est égale à ±π/2 le sinus de l'angle φ

est indéfini, ce qui n'est pas prévu par la convention choisie. Pour lever cette

indétermination on utilise alors l'équation du dernier capteur Mz.

Pour finir il faut calculer les angles à partir de leur cosinus et sinus :

θ=−arcsin (Ax)

ψ=arctg2( AyAz

)

cos (φ)=cos(φ)(Mx , Bh ,Bv ,θ)sin(φ)=sin (φ)(My , Bh , Bv ,θ , ψ ,cos (φ))

φ=arctg2( sin (φ)cos (φ)

)

eq. 8

La fonction arctg2 est l'équivalent de la fonction arctg mais définie sur [-π, π].

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Pour conclure sur cette méthode analytique, si elle est simple à appréhender, elle

fait néanmoins appel à un grand nombre de calculs trigonométriques et est donc difficile

à implanter sur un contrôleur embarqué. Elle est de ce fait très rarement utilisée.

Différentes méthodes ont ainsi été développées pour déterminer l'attitude du

mobile. Elles peuvent être classées en deux groupes distincts : les algorithmes de calcul

direct qui déterminent l'orientation 3D à partir d'une mesure unique des champs

magnétique et gravitationnel, la plupart se basant sur la méthode des moindres carrés,

(citons les algorithmes, QUEST, ESOQ, Q-method...) ; et les algorithmes de filtrage

comme le filtre de Kalman qui est un estimateur récursif (il utilise l'état précédent et les

mesures courantes pour déterminer l'attitude).

IV. Systèmes AHRS

Un système AHRS (Attitude and Heading Reference System) est un système qui

donne son attitude (3 degrés de liberté : angles d'Euler ou de Cardan...). Un AHRS

contient une IMU (Inertial Measurement Unit) qui fournit les données en provenance

des capteurs, et un calculateur (micro-contrôleur) qui détermine l'attitude du système.

On le distingue d'un INS (Inertial Navigation System) plus complet qui en plus de

l'attitude fournit la position du mobile (6 degrés de liberté).

Une norme définit les caractéristiques d'un système AHRS pour l'aéronautique.

Peu de systèmes basés sur des capteurs MEMS ont obtenu cette certification. On

différencie alors deux type d'AHRS, les "haut de gamme" aux caractéristiques

compatibles avec les exigences aéronautiques, et les "grand public".

Les systèmes "Haut de Gamme" ont des performances de très haut niveau, une

précision en orientation inférieure au degré, et une résolution inférieure au dixième de

degré. Par contre la puissance consommée est élevée (proche du watt), leur prix avoisine

les 3000€, et ils sont relativement encombrants. Ces caractéristiques ne permettent pas

de les utiliser dans des applications "grand public". En effet les contraintes de coût, de

puissance consommée et d'encombrement priment sur les performances dans le cas

d'applications "grand public". Pour ce faire les fabricants se sont penchés sur l'utilisation

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des techniques collectives standard de la micro-électronique et donc sur l'utilisation de

capteurs intégrés de type CMOS* ou MEMS.

Un exemple d'un tel AHRS est la boussole 3D compensée en inclinaison de la

société Honeywell ("HMC6343"). Le système est composé d'un accéléromètre 3 axes,

d'un magnétomètre 3 axes, d'une électronique de conditionnement et d'un micro-

contrôleur, le tout encapsulé dans un même boitier. Les caractéristiques de la boussole

sont données dans le tableau suivant :

Caractéristiques Performances

Résolution en orientation : Angle de lacetAngle de roulis

Angle de tangage0,1°

Précision : Angle de lacetAngle de roulis

Angle de tangage

2° - 4°1° - 2°1° - 2°

Consommation : Fonctionnement normal

14,8 mW

Encombrement : Système dans un seul boitier

9 x 9 x 1,9 mm

Prix à l'unité ~140 €

Tableau 1 : Caractéristiques Boussole 3D "HMC6343"

Figure 2 : Diagramme

fonctionnel et Photo de la boussole 3D "HMC6343"

* Voir annexe

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V. Magnétomètres et accéléromètres intégrés

Nous ne nous intéressons qu'aux capteurs intégrables dans une technologie

standard sans post-procédé complexe (capteurs grand public faible coût). La technologie

actuelle de fabrication de micro-systèmes la moins onéreuse est ainsi la technologie

CMOS associée à la micro-gravure en volume du substrat par la face avant (Front Side

Bulk Micromachining FSBM). Cette technologie permet l’intégration monolithique du

capteur (l’électronique, ainsi que la partie mécanique du capteur sont sur le même

substrat de silicium*).

1. Micro-magnétomètres

Les phénomènes physiques utilisés dans les capteurs magnétiques intégrés sont

de différents types.

• Les phénomènes magnéto-galvaniques comme l'effet Hall ou la déviation des

porteurs de charge par la force de Lorentz, ont des effets extrêmement importants dans

les semi-conducteurs* tel le silicium et se prêtent donc bien à une intégration utilisant les

technologies standard de la microélectronique.

Même si le silicium ne s'impose pas d'emblée comme le matériau semi-

conducteur présentant les meilleures caractéristiques intrinsèques pour ce type de

phénomène, et ne peut donc rivaliser en termes de performances avec des semi-

conducteurs comme l'arséniure de gallium* (GaAs) ou l'antimoniure d'Indium (InSb), il

existe un certain nombre de solutions techniques permettant d'améliorer l'intégration de

tels systèmes. Le grand avantage du capteur à effet Hall sur silicium réside dans le fait

que sa réalisation entre entièrement dans le flot classique de conception et de fabrication

des circuits intégrés CMOS et ne nécessite aucune étape de fabrication supplémentaire

(post-processing).

Pour réaliser un tel transducteur performant nous avons besoin d'une plaque

faiblement dopée et la plus fine possible. La technologie considérée étant une

technologie CMOS classique avec substrat P*, l'idée consiste à utiliser un puits N*

comme zone active. Ce puits étant relativement peu dopé et peu profond, il convient

parfaitement à la réalisation d'une plaque à effet Hall. La méthode consiste donc à

* Voir annexe

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dessiner un puits N rectangulaire de largeur W et de longueur L auquel on rajoute deux

larges contacts de polarisation (largeur W) pour l'injection de manière uniforme du

courant I, et deux contacts de mesure, de taille minimum (largeur S définit par la

technologie) au milieu des faces latérales. (Figure 2). Cette forme de plaque est la plus

simple, mais comme l'effet Hall apparaît dans toutes les structures où la direction du

courant est imposée par la géométrie du transducteur, différentes formes plus ou moins

complexes (croix, ellipses...) sont envisageables pour améliorer les performances en

bruit en sensibilité du capteur.

Figure 2 : Plaque à effet Hall simple en technologie MOS

on a alors pour la tension de Hall : V h=Rh

t. B . I pol eq. 9

avec Rh=−1n.e

(Rh : coef. de Hall, n : densité porteurs, t : épaisseur de la plaque).

• Ces dernières années, l'essor des nouvelles technologies MEMS (Micro-

Electro-Mechanical System) a permis l'émergence d'un nouveau type de capteur

magnétique utilisant la déformation d'une structure mécanique sous l'effet de la force de

Laplace. Ces capteurs sont réalisés en utilisant la technologie FSBM.

• Il y a aussi les capteurs à magnétorésistance qui utilisent le changement de

résistance d'un matériau sous l'effet d'un champ magnétique. Ils exploitent les propriétés

anisotropiques des matériaux ferromagnétiques et sont appelés "Anisotropic Magneto-

Resistance" (AMR).

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• Signalons pour finir les capteurs de type "Flux gates" ainsi nommés en anglais

du fait que ces capteurs se comportent comme des quadripôles dont la fonction de

transfert est dépendante du champ magnétique appliqué, et qui reposent sur le

phénomène de saturation magnétique (l'intensité du champ d'induction magnétique B

est bornée au sein d'un corps ferromagnétique).

Le tableau 2 présente les plages de mesure des différents types de capteurs

intégrés de champ magnétique.

Induction détectable en T 10-12 10-8 10-4 100 104

Champ magnétique terrestre

Magnéto-Résistance AMR

Fluxgate

Effet Hall

MEMS

Tableau 2 : Plage de mesure des micro-magnétomètres

2. Micro-accéléromètres

Un accéléromètre mesure l’accélération subie par un objet, cette accélération est

exprimée en m/s2 ou en nombre de “g” qui correspond à l’accélération de la pesanteur

moyenne sur la terre . Voici quelques ordres de grandeurs d’accélérations pouvant être

rencontrées : 1g est l’accélération subie par un objet, lorsqu’il est soumis à la seule force

gravitationnelle terrestre ; 0-2g correspond à l’accélération d’une personne se mettant en

mouvement ; 5-30g est l’accélération subie par un conducteur lors d’un accident de

voiture ; 100-2000g serait l’accélération subie par un objet lors du choc si vous le

laissiez tomber d’un mètre sur un sol dur ; enfin 10 000g est l’ordre de grandeur de

l’accélération subie par une balle au départ d’un fusil.

Les accéléromètres sont définis par les paramètres suivants : sensibilité,

résolution, plage de fonctionnement, bande passante, sensibilité hors axe... Ces

paramètres déterminent les domaines d’applications associés à chaque type

d’accéléromètre. Le tableau 3 donne les spécifications pour des applications de type

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navigation. Ces applications nécessitent des capteurs avec une bonne résolution (de

l’ordre du micro-g) pour des amplitudes d’accélération inférieures au g, une faible non

linéarité, et une sensibilité hors axe aussi très faible (réponse à une accélération qui n'est

pas dans la direction de mesure cible).

Amplitude accélérations ± 1 g

Fréquences de fonctionnement DC -100Hz

Résolution < 4 µg

Sensibilité hors axe < 0,1 %

Non linéarité < 0,1 %

Tableau 3 : caractéristiques d'un micro-accéléromètre pour la navigation

Le marché actuel offre plusieurs types de capteurs d’accélération. Les deux

principaux sont les capteurs à piézorésistances et les capteurs capacitifs.

• Les accéléromètres à piézorésistance consistent en un substrat micro-usiné,

comprenant une masse sismique suspendue par une ou plusieurs poutres de flexion en

silicium. Les poutres comportent des piézorésistances qui afin de fournir un signal

maximal sont placées sur les côtés des poutres.

La figure 3 représente un capteur d'accélération industrialisé, la dynamique de

mesure est de l'ordre du g pour une bande passante de quelques centaines de hertz et une

sensibilité de 1mV/g. Basé sur un principe piézorésistif, il permet théoriquement le

passage du continu, mais les fortes dérives thermiques (10 µV/K) induites par les

contraintes provenant du collage pied/boîtier le limitent souvent à la mesure des

accélérations variables (au-dessus de 0,01 Hz).

Les mouvements de la poutre lors des accélérations entraînent des déformations

dans la zone du rétreint, qui sont à l’origine des contraintes mécaniques sur les jauges

collées sur cette poutre.

Figure 3 : Accéléromètre piézorésistif

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• La détection capacitive est la méthode la plus utilisée actuellement. Le "corps

d'épreuve" (partie du capteur sensible à l'accélération) ou "masse sismique" est une

électrode mobile. Le principe consiste à traduire le déplacement de la masse sismique

mobile, dû à l'accélération, en une mesure de variation de capacité.

Les capacités sont souvent formées par des poutres disposées de façon à former

des peignes interdigités l'un mobile l'autre fixe. Pour garantir une excellente linéarité et

la possibilité d’intégrer une boucle retour électromécanique, le système est conçu

comme une capacité différentielle (figure 5).

La figure 4 présente le principe d’un accéléromètre capacitif simple dans l’axe z,

et « inter digité » monté en capacité différentielle dans l’axe y.

Figure 4 : accéléromètre capacitif en z (a) et en y (b)

Figure 5 : principe d’une cellule capacitive différentielle

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VI. Conclusion

On vient de voir dans ce dossier qu'en associant dans un même boitier des micro-

magnétomètres, des micro-accéléromètres, leurs chaines électroniques de

conditionnement et de mesure ainsi qu'une centrale de calcul (micro-contrôleur), on

peut désormais proposer à un prix tout à fait abordable de véritables centrales d’attitude

embarquées.

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ANNEXE : Lexique

Semi-conducteur intrinsèque : réseau cristallin pur qui, comme son nom l’indique, se

situe, en termes de mobilité des charges et de robustesse des liaisons, entre les

conducteurs et les isolants. L’énergie à fournir pour arracher un électron est d’environ

1eV contre 0,1eV pour les conducteurs et 5eV pour les isolants.

Semi-conducteur extrinsèque de type N : le cristal est dopé avec des impuretés

(atomes ayant 5 électrons de valence comme le phosphore ou l’arsenic) qui vont prendre

la place d’atomes de silicium dans le réseau cristallin. Les électrons de valence

supplémentaires sont des électrons libres, pratiquement aussi mobiles que dans le cas

des conducteurs.

Semi-conducteur extrinsèque de type P : le principe est le même que pour le type N

mais avec des atomes d’impureté ayant un électron de valence en moins que le silicium.

Il manque ainsi un électron à l'atome trivalent pour réaliser toutes les liaisons covalentes

avec ses voisins, ce qui crée un « trou ». L’atome de type III est ainsi un atome

accepteur d’électrons.

Silicium (Si) : matériau semi-conducteur le plus utilisé actuellement pour la fabrication

des circuits électroniques. Il se présente sous la forme d’un réseau cristallin d’atomes

possédant 4 électrons de valence (colonne IV du tableau de classification des éléments).

Arsénure de Gallium (AsGa) : alliage semi-conducteur de type III-V comportant à part

égale des atomes d’arsenic (colonne V) et de Gallium (colonne III).Utilisé

principalement pour des composants opto-électroniques.

Technologie CMOS (Complementary MOS) : technologie de conception de circuits

intégrés utilisant les deux types de transistors PMOS et NMOS.

Transistors MOS (Métal-Oxyde-Semiconducteur) : ils se déclinent en deux types, les

transistors canal N (NMOS) et les transistors canal P (PMOS). Leurs électrodes

s’appellent : drain (D), source (S) et grille (G).

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Le transistor NMOS est schématisé sur la figure suivante. La grille (actuellement en

polysilicium mais au départ en métal) est séparée du substrat par une fine couche

d’oxyde isolant (SiO2) d’où le nom de MOS : Métal-Oxyde-Semiconducteur.

Pour un transistor PMOS, on crée un puits N dans le substrat P, et on insère dans

le puits deux zones P qui seront les drain et source du transistor.

Figure A1 : coupe d’un transistor NMOS

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) : Un microsystème électromécanique

est un micro-système comprenant un ou plusieurs éléments mécaniques, utilisant

l’électricité comme source d’énergie, en vue de réaliser une fonction de capteur et/ou

d’actionneur avec une structure présentant des dimensions micrométriques.

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