The reported research work aims to develop a novel class of accelerometers applicable to the high-accuracy estimation of rigid-body pose and twist. These accelerometers, based on a monolithic biaxial architecture, dubbed Orchid, were designed for fabrication as MEMS (microelectromechanical system) with isotropic stiffness in the sensitive plane and high frequency ratios between the insensitive and sensitive directions. The architecture is intended to accommodate any regular polygonal shape with a suspension that allows for an in-plane translation of the proof-mass with respect to the frame. Structural optimization is conducted to yield high frequency ratios and a high degree of compliance in the suspension, for low-g applications and planar excitation. Lamé curves are introduced in the fillets to relieve the stress concentration. The elastically isotropic structure in the sensitive plane is analyzed symbolically and validated numerically and experimentally.

The microfabrication process was then devised and conducted with high precision for triangular and square Orchid structures. Techniques and recipes were studied to solve the wafer bonding problem with large cavities, adhesive influence on structural etching and reflectivity adjustment of the sample surface. Vibration tests were conducted in the MEMS prototypes to validate the isotropic sensitivity of the biaxial architecture.

In light of the isotropic Orchid architecture, a novel biaxial MEMS accelerometer, W30P4, was designed, fabricated and tested for low-g applications. The accelerometer monolithic structure was optimally designed based on a fully symmetric architecture with a high frequency ratio between the insensitive and sensitive axes. To facilitate the utilization of the proposed architecture, an analysis environment is developed for the modal and static analyses of user-defined structural parameters. The sensing substructure was designed with a configurable comb-structure for simultaneous biaxial capacitive sensing. This accelerometer was fabricated with high precision and tested under 1-g acceleration, both statically and dynamically. Test results validate the isotropy of the Orchid architecture and the high signal-to-noise ratio of the W30P4 biaxial accelerometer.

Finally, an accelerometer strapdown was designed and configured using the W30P4 accelerometers, based on an octahedron frame inscribing the tetrahedron strapdown. An embedded microsystem was devised and coded inside the accelerometer strapdown to convert and transmit the signals wirelessly to a host computer. Moreover, the mathematical and simulation models were established to estimate rigid-body pose and twist using this accelerometer strapdown. Test results on a haptic manipulator validate the effectiveness of its position estimation and provide insight into the hardware improvement.

Ce travail de recherche porte sur le développement d’un nouveau type d’accéléromètres destinés à l’estimation la plus fiable possible de la situation et du torseur cinématique des corps rigides. S’appuyant sur une architecture monolithique bi-axiale appelée Orchidée, ces accéléromètres, qui sont conçus comme des SMEM (systèmes micro-electro-mécaniques), se caractérisent par une raideur isotropique dans le plan sensible et par des rapports de haute fréquence entre les directions insensibles et sensibles. Cette architecture s’adapte à n’importe quel polygone régulier grˆace à une suspension qui permet une translation planaire de la masse d’essai par rapport au porteur. L’optimisation structurelle porte sur les hauts rapports de fréquence et le respect des caractéristiques de la suspension dans les applications à faible g et à excitation planaire. Des courbes de Lamé ont été introduites dans les filets pour réduire la concentration des contraintes. La structure isotropique élastique dans le plan sensible fait l’objet d’une analyse symbolique, qui a été validée numériquement et expérimentalement.

Après la conception, la microfabrication des structures triangulaires et carrées de type Orchidée a été effectuée avec une extrˆeme précision. Les techniques et recettes essayées ont permis de résoudre les problèmes posés par le collage sur des cavités de grandes dimensions, par l’influence de l’adhésif sur l’attaque chimique de la structure et par les reflets sur la surface de l’échantillon. Les prototypes de SMEM ont été soumis à des essais de vibration destinés à valider la sensibilité isotropique de l’architecture bi-axiale.

Un nouvel accéléromètre bi-axial, le W30P4, a été conçu, fabriqué et testé sous faible g en se basant sur l’architecture isotropique Orchidée. La structure de cet accéléromètre a permis d’optimiser sa conception afin d’obtenir un rapport des hautes fréquences entre les axes insensibles et sensibles. L’analyse modale et statique des paramètres structurels définis par l’usager facilite l’utilisation de l’architecture proposée. La sous-structure équipée de capteurs est du type peigne configurable, ce qui permet un captage bi-axial. Fabriqué avec très grande précision, cet accéléromètre a été testé, statiquement et dynamiquement, sous accélération 1-g. Les résultats valident l’isotropie de l’architecture Orchidée et le rapport signal-bruit élevé de l’accéléromètre W30P4.

Enfin, plusieurs accéléromètres W30P4 ont été assemblés sur un assemblage en forme d’octahèdre inscrit dans un tétrahèdre. Un microsystème encastré et codé dans chaque accéléromètre convertit et transmet les signaux sans fil à un ordinateur hôte. En outre, des modèles mathématiques et des simulations permettent d’estimer la situation et le torseur cinématique des corps rigides mobiles par cet assemblage d’accéléromètres. Les essais effectués sur un manipulateur haptique ont confirmé que l’estimation de la situation était exacte, tout en fournissant des informations utiles pour améliorer les appareils.