The benefits of new piezoelectric materials for vibrating micro-gyroscope
APPORT DES NOUVEAUX MATÉRIAUX PIÉZOÉLECTRIQUES DANS LE DOMAINE DES MICRO-GYROMÈTRES VIBRANTS
Résumé
The steady development of Microsystems has made possible the birth of a new type of angular rate sensors: the Coriolis vibrating micro-gyroscopes. Those sensors are on the one hand of incomparable minimal size and cost but on the other hand they are of really low performance compared to conventional gyroscopes (i.e. wheel gyrometer, ring laser gyroscope, fibre optic gyroscope?). They are dedicated to new applications such as microdrone guidance, camera image stabilization, car dynamic stability control, etc. The focus of this research is the specific study of the piezoelectric material used in Coriolis vibrating microgyroscope. Up to know low piezoelectric quartz is chosen in regards to its great thermo-mechanical parameters and mastered fabrication process (due to its widespread use in the clock industry). My research, which consists in the study of the benefits of new piezoelectric materials for vibrating micro gyroscope, took place in this context of emerging of new and stronger piezoelectric synthesis materials. In order to answer to this problematic, the following approach was used. First, an analytical vibrating Coriolis gyroscope model was developed in order to study the gyroscope performances (resolution and scale factor). This enabled us to identify the key material parameters and to theoretically compare different piezoelectric materials. Then, the many steps that led to the fabrication of three gyroscope prototypes made of PZT, GaPO4 and langasite are described. Finally the results obtained for the GaPO4 and the PZT prototypes and the comparison in order to validate the model are presented.
Le développement constant des microsystèmes a rendu possible l'apparition d'un nouveau type de capteur de vitesse de rotation : les micro-gyromètres vibrants à effet Coriolis. Ces capteurs ont des dimensions et des coûts de fabrication sans communes mesures comparées aux gyromètres classiques (i.e. gyromètre à toupie, gyromètre laser, gyromètre à fibre optique...), mais en contrepartie ils ont des performances nettement en retrait. Ils sont destinés à des applications nouvelles telles que le pilotage de micro-drones, la stabilisation d'image dans les appareils photographiques, le contrôle dynamique de trajectoire dans l'automobile, etc.
L'objet de ce travail porte sur l'étude spécifique du matériau piézoélectrique utilisé dans les micro-gyromètres vibrants à effet Coriolis. Aujourd'hui le quartz, faiblement piézoélectrique, est le matériau utilisé, du fait de ses très bonnes propriétés thermomécaniques et de la grande maîtrise des technologies de sa mise en oeuvre (due à son utilisation massive dans l'industrie horlogère). C'est dans le contexte de l'émergence de nouveaux matériaux de synthèse plus fortement piézoélectriques que s'inscrit mon travail de thèse qui consiste en l'étude de l'apport des nouveaux matériaux piézoélectriques dans le domaine des micro-gyromètres vibrants.
Pour répondre à cette problématique nous avons suivi la démarche suivante. Dans un premier temps, il a été développé un modèle analytique de gyromètre vibrant piézoélectrique permettant d'appréhender les performances du capteur (facteur d'échelle et résolution de mesure). Ainsi, il a été possible d'identifier les paramètres matériaux clés et de comparer les différents matériaux d'un point de vue théorique. Puis, les différentes étapes de réalisation des maquettes de gyromètre en PZT, GaPO4 et langasite sont décrites. Enfin, la caractérisation des maquettes de gyromètre en PZT et GaPO4 et la validation du modèle par la confrontation des résultats théoriques et expérimentaux sont présentées.
L'objet de ce travail porte sur l'étude spécifique du matériau piézoélectrique utilisé dans les micro-gyromètres vibrants à effet Coriolis. Aujourd'hui le quartz, faiblement piézoélectrique, est le matériau utilisé, du fait de ses très bonnes propriétés thermomécaniques et de la grande maîtrise des technologies de sa mise en oeuvre (due à son utilisation massive dans l'industrie horlogère). C'est dans le contexte de l'émergence de nouveaux matériaux de synthèse plus fortement piézoélectriques que s'inscrit mon travail de thèse qui consiste en l'étude de l'apport des nouveaux matériaux piézoélectriques dans le domaine des micro-gyromètres vibrants.
Pour répondre à cette problématique nous avons suivi la démarche suivante. Dans un premier temps, il a été développé un modèle analytique de gyromètre vibrant piézoélectrique permettant d'appréhender les performances du capteur (facteur d'échelle et résolution de mesure). Ainsi, il a été possible d'identifier les paramètres matériaux clés et de comparer les différents matériaux d'un point de vue théorique. Puis, les différentes étapes de réalisation des maquettes de gyromètre en PZT, GaPO4 et langasite sont décrites. Enfin, la caractérisation des maquettes de gyromètre en PZT et GaPO4 et la validation du modèle par la confrontation des résultats théoriques et expérimentaux sont présentées.