Architectures de gyromètres vibrants

Les accéléromètres et gyromètres vibrants développés à l’ONERA sont des senseurs inertiels miniatures visant
un haut niveau de performance dans les applications de navigation ou de contrôle d'attitude. Ils sont constitués
d’une cellule de quartz usinée en microtechnologie et pilotée par une électronique associée. Dans le cas des
accéléromètres vibrants, c’est la fréquence de résonance d’une lame vibrante reliée à la masse d’épreuve qui
donne l’accélération, et dans le cas des gyromètres vibrants, c’est le mouvement d’un premier mode de
résonance (le pilote) qui, combiné à la rotation, excite par effet Coriolis un deuxième mode de la structure
vibrante (le détecteur), dont on mesure cette fois l’amplitude.
Précisément, une nouvelle conception récente de la structure vibrante gyrométrique ouvre la voie vers une
gamme supérieure de performances et donc d’applications. Cependant, cette évolution implique une nouvelle
architecture du capteur et de son électronique.
La nouvelle cellule, réalisée dans la plateforme de micro technologies de l’unité de recherche CMT, permet le
fonctionnement en mode gyroscopique, dit whole angle. Ce mode est rendu possible par des symétries
parfaites entre les résonances pilote et détecteur d’une part, et par la maitrise de plusieurs boucles
d’asservissement sur les fréquences, les amplitudes et les phases des oscillations d’autre part.
Le travail de thèse consistera donc, après un état de l'Art dans le domaine, à dimensionner les briques de
l’architecture capteur : synthèse de fréquence, acquisition/génération numérique de signaux, démodulation
synchrone, boucle à verrouillage de phase, asservissements divers. Puis, en les intégrant dans un modèle
instrumental, un outil de projection de performance sera construit, en support aux caractérisations
expérimentales effectuées sur prototype, qui constitueront une importante part expérimentale du travail de
thèse.
Le doctorant aura ainsi une expérience complète du développement de capteur, de la modélisation du
phénomène physique à la caractérisation globale de l’instrument, en passant par la conception et la
réalisation des fonctions électroniques de pilotage, analogiques, numériques, et logicielles.

La thématique du laboratoire regroupe les développements de microdispositifs dont la réalisation met en oeuvre des moyens et procédés de microtechnologies en salle blanche. L’activité est verticale et complète, depuis la conception du microsystème, sa simulation en éléments finis avant réalisation en salle blanche, jusqu’à la caractérisation en environnement des capteurs intégrés et munis de leur électronique et traitement du signal dédiés. Trois familles de dispositifs peuvent être distinguées, certains développements pouvant relever de deux d’entre elles :

• les MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) vibrants comprenant principalement les capteurs inertiels vibrants (accéléromètres et gyromètres), et d’autres dispositifs exploitant des microrésonateurs : référence de temps, capteur de gaz photoacoustique, et magnétomètre vibrant ;
• les capteurs en couches minces destinés à des mesures en environnement sévère (mesures sur bancs d’essais de turbomachines et de chambres de combustion) : mesures thermiques (température, flux de chaleur), jauges de déformation, capteur de pression instationnaire ;
• les dispositifs exploitant les matériaux 2D (graphène, h-BN) : capteur de gaz et électrodes non intrusives pour microrésonateurs.

Les multiples compétences nécessaires à ces développements sont présentes dans l’unité CMT (Capteurs et Micro Technologies) : conception par simulation éléments finis, développement de procédés de réalisation de microdispositifs en salle blanche, traitement du signal et électronique, et caractérisation métrologique. Les moyens associés regroupent d’une part les équipements de réalisation (synthèse de matériaux 2D, photolithographie, gravure de matériaux cristallins, dépôt de couches minces…), et d’autre part les équipements de métrologie (banc de caractérisation inertielle, banc de caractérisation de capteurs de gaz…).

Dans le cadre des développements des capteurs MEMS inertiels (accéléromètre, gyromètre), l’ONERA se place sur le segment des hautes performances. Les travaux sont menés en partenariat avec les universitaires et industriels français du domaine (C2N, FEMTO-ST, THALES, SAFRAN, IXBLUE) auxquels la technologie de l’accéléromètre vibrant a été transférée. La technologie propre à l’ONERA est également exploitée pour des applications émergentes comme les détecteurs photoacoustiques en collaboration avec la PME MIRSENSE ou les magnétomètres vibrants avec la PME SYSNAV.

Concernant les capteurs en couches minces (fluxmètres thermiques et jauges de contrainte) destinés au domaine exigeant des environnements sévères (chambres de combustion), le savoir-faire spécifique de l’ONERA est reconnu au niveau européen par les industriels du domaine avec lesquels des collaborations ont été réalisées (SAFRAN, ROLLS ROYCE, VKI).

école d'ingénieur ou Master 2 en physique, instrumentation, électronique, capteurs, traitement du signal