Soutenance mémoire
Les interfaces intégrées de capteurs
Généralités :L’interface désigne souvent l’élément qui assure la communication de l’information mesurée par le capteur à des éléments périphériques. Cependant, l’interface désigne quelquefois plus. Dans ce chapitre, j’entends par interface toute l’électronique permettant d’utiliser le capteur. Une interface comprend alors typiquement : le conditionnement du signal, l’électronique permettant d’exciter le capteur, la conversion analogique-numérique, une interface numérique permettant de communiquer sur un bus de capteur. A ceci, peuvent s’ajouter des fonctions utiles au bon fonctionnement du capteur : test, étalonnage et réparation. Historiquement, les interfaces de capteurs ont d’abord été réalisées à l’aide de composants électroniques discrets. Aujourd’hui, l’interface d’un capteur tend de plus en plus à être intégrée dans un seul et même boîtier, pour des raisons principalement liées à la miniaturisation et au coût. Plusieurs solutions sont envisageables en fonction des performances souhaitées pour le capteur. Parmi celles qui sont commercialisées à l’heure actuelle, on peut citer : les interfaces génériques, les FPAA (« Field Programmable Analog Array ») et les ASIC dédiés à un capteur (« Application Specific Integrated Circuit »). Dans la suite de ce chapitre, nous verrons les avantages et les inconvénients principaux de chacune des solutions. Tout particulièrement, les performances, le coût et le temps de développement seront discutés.
Les FPAA
Les FPAA sont les équivalents analogiques des solutions numériques FPGA (« Field Programmable Gate Array »). Ils sont disponibles commercialement depuis 1994. Ces circuits sont composés d’un réseau d’éléments de base interconnectés de façon programmable. Ces cellules élémentaires dépendent de la technique utilisée : temps continu, capacités commutées, convoyeur de courant ou courant commuté. Par exemple, pour la première technique, ce sont des amplificateurs opérationnels (AOP), des résistances et des capacités. Les avantages des FPAA sont :
• Les FPAA sont configurables et donc flexibles.
• Par rapport aux solutions génériques, plus de fonctions spécifiques aux capteurs sont envisageables : filtrage du signal, élimination d’offset etc…
• Le temps de développement est plus faible que celui d’un ASIC. En effet, les fabricants proposent des logiciels de conception permettant de générer automatiquement certains blocs depuis la spécification jusqu’à la réalisation sur le composant. Par exemple, les filtres à capacités commutées se prêtent bien à la synthèse automatique. Il faut cependant noter certaines limites. La flexibilité n’est pas totale puisque toutes les structures ne sont pas envisageables. En effet, toutes les cellules élémentaires ne peuvent pas être connectées librement entre elles parce que le nombre d’interconnections dans le FPAA serait trop grand. De plus ils sont assez limités en fréquence et en linéarité (dû aux interrupteurs d’interconnections) [2]. Enfin, les FPAA commercialisés ne proposent actuellement pas d’intégrer les fonctions de traitement numérique.
Les procédés d’usinage en surface
Le principe repose sur la gravure humide isotrope d’une couche sacrificielle. La structure suspendue est en général composée d’un seul matériau qui est conducteur électrique. Elle peut servir d’électrode pour faire une détection capacitive de mouvement ou pour actionner des structures par force électrostatique. Le capteur peut donc être utilisé en contre-réaction (système bouclé) pour augmenter ses performances, surtout au niveau linéarité. Beaucoup de capteurs usinés en surface ont montré de bonnes performances dans leur application : accéléromètre, gyroscope, résonateur, micro-miroir, etc… Dans le cadre d’une intégration monolithique, le matériau sacrificiel peut être rajouté avant, après ou pendant le procédé microélectronique. Il peut aussi être un des matériaux structurels d’un procédé standard (oxydes ou aluminium). Suivant le choix du matériau sacrificiel les matériaux structurels peuvent être du métal, du polysilicium ou un matériau diélectrique. Dans le cas où la couche sacrificielle est déposée après le procédé électronique, le principal problème vient de la température de dépôt (dépassement du budget thermique ou fusion du métal d’interconnexion). Pour résoudre ces problèmes, le procédé microélectronique est quelquefois modifié. Par exemple, les niveaux d’interconnexion en aluminium sont remplacés par du tungstène. Néanmoins, l’utilisation d’un post-procédé peut permettre de superposer les parties mécaniques sur les parties électroniques [8]. On parle alors de procédé « above IC ». Beaucoup de procédés permettant l’intégration monolithique de capteurs usinés en surface avec de l’électronique ont été développés. Un seul exemple sera détaillé. C’est un pré-procédé développé par les laboratoires « SANDIA National Laboratories » [18]. Sur la vue en coupe du wafer (Figure I-6), on voit les transistors d’un procédé CMOS, à gauche, et les structures mécaniques enterrées en poly silicium (avant libération) à droite.
Les capteurs à magnéto-résistances
Ces capteurs sont basés sur le changement de résistance d’un matériau sous l’action d’un champ magnétique. Ils exploitent les propriétés anisotropiques des matériaux ferromagnétiques et sont donc appelés « Anisotropic Magneto-Resistance » (AMR). D’autres phénomènes physiques, comme l’effet hall, peuvent être à l’origine d’un changement de résistivité dans la matière (effet Hall planaire) mais ne sont pas exploités par ces capteurs. L’effet magnéto-résistif est exploité dans les capteurs intégrés commercialisés par Honeywell (la série HMC [URL5]) et par Philips (la série KMZ [URL6]). Une des applications est la réalisation de boussole. Le matériau utilisé pour ces capteurs est le permalloy. Pendant le dépôt du matériau en couche mince, un fort champ magnétique est présent dans une direction préférentielle parallèle au plan du dépôt. En l’absence de champ magnétique le vecteur de magnétisation pointe dans cette direction. Sur la Figure I-12, un courant circule suivant cette direction. Le mécanisme complexe de changement de résistance en fonction du champ magnétique peut se décomposer en deux parties :
• Il existe une relation entre le champ magnétique H⊥ et la direction du vecteur de magnétisation Mr qui est représentée par l’angle θ.
• Il existe une relation entre la direction de magnétisation Mr et la résistivité ρ du matériau dans la direction de la densité de courant Jr.
Le désappariement lié aux incertitudes sur les résistances du procédé CMOS
L’écart entre deux résistances en polysilicium est typiquement inférieur ou égal à 0,1 %. Grâce à une analyse statistique faîte à partir des données du fondeur (analyse Monte Carlo), l’écart type est évalué à 2 mV pour une moyenne nulle. En prenant trois fois l’écart type, on garantit donc que l’offset sera inférieur à 6 mV. Notons que l’analyse statistique n’est valable que sur des résistances qui ont été dessinées avec les précautions de « layout » nécessaire pour assurer un bon appariement (utilisation de dummy résistances, proximité …). Or il n’est pas possible de respecter ces règles de conception pour les jauges. On peut donc s’attendre à ce que l’offset soit plus grand en pratique.
La solution boucle ouverte
Une solution alternative aux structures en boucle fermée (auto oscillateur et PLL) est de faire fonctionner le capteur en boucle ouverte après avoir étalonné le circuit d’excitation pour qu’il délivre un signal à la fréquence de résonance du cantilever. Un des inconvénients de cette solution est la nécessité de mémoriser la valeur d’étalonnage. Cependant, dans le cas de la réalisation d’une boussole, il est de toute façon souhaitable de disposer d’une mémoire pour les coefficients de correction (cf. § I.3.). Un autre inconvénient de cette solution est d’être sensible aux variations de la fréquence de résonance. Toutefois, en technologie FSBM, la fréquence de résonance des cantilevers U-Shape varie faiblement en fonction de la température. La variation est d’environ 70 Hz entre 0 °C et 60 °C [2], ce qui représente environ 1/3 de la bande passante du cantilever (≈ 200 Hz). De plus, aucune variation liée au vieillissement n’a été constatée sur les essais pratiqués. L’étalonnage peut donc être réalisé une seule fois par le fabriquant. Cependant pour des raisons de robustesse et de performance, le circuit d’excitation doit pouvoir être ré-étalonné périodiquement (par exemple, à chaque mise sous tension ou à intervalles de temps réguliers). Dans un cas général, plusieurs forces peuvent être utilisées pour trouver la fréquence de résonance :
• La force d’accélération est trop coûteuse pour un étalonnage en usine et n’est pas utilisable pour un étalonnage périodique.
• La force électrostatique est facile à générer électriquement mais n’est pas utilisable en technologie FSBM (à cause des tailles de cavités).
• La force magnétique est évidemment applicable au capteur U-Shape. Cependant, il n’est pas possible de générer sur puce un champ magnétique suffisamment fort pour actionner le cantilever (principalement à cause des tailles de cavités du procédé FSBM). Il faut alors disposer d’une source externe pendant l’étalonnage. Dans le cas d’un étalonnage en usine, il n’est pas évident d’appliquer un champ magnétique d’intensité assez forte et contrôlé à un lot de capteur. Chaque capteur doit alors être étalonné individuellement en approchant une source de champ magnétique assez forte pour ne pas être perturbé par des champs magnétiques externes (champ magnétique terrestre etc…). Dans le cas d’un étalonnage périodique, il n’est pas possible d’imaginer la présence d’une source de champ magnétique externe autre que le champ magnétique terrestre. L’orientation du capteur n’étant pas connue, cette méthode n’est pas applicable.
• La force électrothermique possède l’avantage de pouvoir être générée sur puce électriquement. De plus elle dépend très peu des conditions externes. Nous avons montré dans le chapitre II qu’elle est applicable au cantilever U-Shape, grâce aux différences de coefficient de dilatation de ses couches structurelles, et consomme peu (environ 5 mW). Le fonctionnement du capteur en boucle ouverte est une solution qui ne souffre pas des problèmes constatés sur les architectures auto oscillantes pour mesurer un faible champ magnétique. Sur les cantilevers FSBM nous disposons en plus d’un moyen d’actionnement électrothermique pratique et faible coût, pour pouvoir étalonner le circuit d’excitation en usine ou périodiquement. C’est donc la solution retenue pour la micro-boussole.
Chaîne de traitement analogique classique
Une chaîne de traitement analogique utilisée pour les capteurs résonants est présentée sur la Figure III-4. La conception d’une version intégrée de ce type d’interface, appelée « lock-in amplifier », pour un capteur de lumière est détaillée dans [4]. Le signal en sortie du capteur est tout d’abord amplifié avec un amplificateur faible bruit (« Low Noise Amplifier » : LNA). A sa sortie, le signal est moins sensible aux sources de bruit. Un filtre passe bande centré sur la fréquence du signal (fo) est utilisé pour éliminer le bruit et autres signaux parasites qui sont en dehors de sa bande passante. Ce filtre peut être indispensable si la démodulation du signal est faite par échantillonnage synchrone. En effet le filtre passe bande garantit qu’il n’y aura pas de recouvrement de spectre. A sa sortie, un amplificateur permet de compléter le gain. Le démodulateur synchrone utilise un signal de référence qui est à la même fréquence que le signal à mesurer. Celui-ci est dérivé de l’excitation du capteur. Plusieurs types de démodulateur sont possibles : multiplieur,échantillonneur bloqueur… Dans tous les cas, la sortie du démodulateur a une composante continue qui est sensible à l’amplitude du signal d’entrée mais aussi à son déphasage par rapport au signal de référence. Enfin un filtre passe bas a pour fonction d’améliorer le rapport signal sur bruit (« Signal to Noise Ratio » : SNR) en limitant la bande passante du système mais aussi d’éliminer les harmoniques du signal si un multiplieur est utilisé comme démodulateur.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
I. ETAT DE L’ART
I.1. Les interfaces intégrées de capteurs
I.1.1. Généralités
I.1.2. Les solutions génériques
I.1.3. Les FPAA
I.1.4. Les ASIC
I.1.5. Conclusion
I.2. Les technologies de fabrication de capteurs MEMS monolithiques
I.2.1. Généralités
I.2.2. Les procédés d’usinage en volume
I.2.3. Les procédés d’usinage en surface
I.2.4. Conclusion
I.3. Les micro-boussoles
I.3.1. Généralités sur les boussoles magnétiques
I.3.2. Les capteurs de champ magnétique
I.3.3. Conclusion
II. L’ELEMENT SENSIBLE
II.1. Introduction
II.2. Présentation de l’élément sensible : le cantilever U-Shape
II.2.1. Principe de détection
II.2.2. Modèle mécanique
II.3. Optimisation géométrique
II.3.1. Paramètres de conception
II.3.2. Effet des paramètres sur la sensibilité
II.3.3. Etalonnage du modèle
II.3.4. Optimisation du nombre de spire
II.3.5. Choix des dimensions
II.3.6. Effets des paramètres sur le bruit
II.3.7. Caractéristiques de l’élément sensible retenu
II.3.8. Approfondissement : prise en compte de l’incertitude sur la localisation de l’encastrement
II.4. Etude des phénomènes parasites
II.4.1. Effets thermiques
II.4.2. Modélisation
II.4.3. Déséquilibre statique du pont de Wheatstone
II.4.4. Les effets de couplage capacitif
II.5. Modèle complet
II.6. Conclusion
Références bibliographiques du Chapitre II
III. L’ELECTRONIQUE
III.1. Introduction
III.2. Système
III.2.1. Vue globale
III.2.2. L’excitation du capteur
III.2.3. Le conditionnement du signal
III.2.4. Prototype d’interface classique à composants discrets
III.2.5. Le système retenu
III.3. Conception de l’électronique
III.3.1. Le circuit d’excitation
III.3.2. La chaîne d’amplification
III.3.3. Le filtre passe bande
III.3.4. Simulation de la chaîne de traitement complète
III.4. Les prototypes de validation de la boussole
III.4.1. Prototype avec électronique de traitement sur puce
III.4.2. Solution pour améliorer l’équilibre du pont de Wheatstone
III.5. Conclusion
Références bibliographiques du Chapitre III
IV. LE TEST DE L’ELEMENT SENSIBLE
IV.1. Introduction
IV.1.1. Généralités sur le test des MEMS
IV.1.2. Les défauts de production de l’élément sensible
IV.2. Le test par stimuli électrothermique
IV.2.1. Intérêt des stimuli électrothermiques
IV.2.2. Les cas d’études
IV.2.3. Caractérisation
IV.2.4. Modèles de faute et simulation
IV.2.5. Conclusion sur le test électrothermique
IV.3. Conception en vue du test
IV.3.1. Test électrothermique orienté production
IV.3.2. Test électrothermique en ligne
IV.4. Conclusion sur le test de l’élément sensible
Références bibliographiques du Chapitre IV
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
Publications
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