Étude et réalisation de gyromètres à détection thermique

Study and realization of thermal sensing gyroscopes

• Auteur / Autrice : Guillaume Kock
• Direction : Alain Giani, Philippe Combette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 28/11/2017
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Christol
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Giani, Philippe Combette, Philippe Christol, Skandar Basrour, Marc Bendahan, Markus Schneider, Rose-Marie Sauvage
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Skandar Basrour, Marc Bendahan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaleur -- Convection

Systèmes microélectromécaniques

Coriolis, Force de

Gyroscopes optiques

Mots clés libres

Capteur inertiel

Expansion thermique

Force de Coriolis

Gyroscope

Systèmes micro-électromécaniques

Convection

Inertial sensor

Thermal expansion

Coriolis force

Gyroscope

Micro electromechanical system

Convective

Résumé

Ce travail de thèse porte sur l’étude et la réalisation de micro-capteurs dédiés à la mesure de vitesse angulaire par des principes basés sur des échanges thermiques. Deux types de gyromètres ont été développés dont la principale différence est liée au principe qui permet la mise en mouvement du gaz : convection forcée pour l’un et expansion thermique pour l’autre. Le principe est basé sur la modification par la force de Coriolis des échanges thermiques dans un fluide chauffé localement lorsque le dispositif est soumis à une vitesse de rotation. L’utilisation d’un fluide comme masse sismique est en rupture avec les concepts de gyromètres dits traditionnels. Cet avantage a pour conséquence la possibilité d’une utilisation dans des conditions environnementales sévères telles que de fortes accélérations (> 10 000 g) et de fortes vibrations. Les objectifs de ce travail consistent à étudier, à développer et à caractériser ces deux types de gyromètres. Pour cela, des études numériques ont été menées afin de mieux appréhender les phénomènes physiques et thermiques mis en jeu dans la cavité. On a pu aussi étudier l’effet des paramètres thermo-physiques du fluide, des différentes dimensions géométriques et de la vitesse d’écoulement du gaz sur la sensibilité et l’étendue de mesure. Par ailleurs, des prototypes des deux types de gyromètres ont été réalisés puis caractérisés. Les résultats sont très encourageants et les principes validés, mais leur confrontation avec ceux de la simulation montre que des améliorations sont à apporter sur le modèle numérique.

This PhD thesis deals with both study and fabrication of micro-sensors dedicated to the measurement of angular velocity, these devices are based on heat exchanges. Two types of gyroscopes have been developed, one using a jet of gas being deflected by the rotation, the other one using thermal expansion of a gas. Under rotation, heat transfers in a locally heated fluid is modified by the Coriolis force and induces a change in temperature distribution. Using a fluid as seismic mass enhances performances in terms shock (> 10 000g) and vibration resistances compared with standard mechanical gyroscopes.The aim of this work has been to study, develop and characterize these two gyroscopes. For this purpose, numerical studies have been carried out in order to improve our understanding of physical and thermal phenomena involved in the device. Effects of thermo-physical parameters, sensor size and gas flow velocity on both sensitivity and measuring range were analyzed.On the other hand, prototypes of both gyroscopes were manufactured and characterized. The proof of concept has been validated and encouraging results have been found. Comparison of measure and simulation have shown that improvements have to be made on the numerical model.