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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
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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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