Une technologie d’accéléromètre capacitif miniature a été développée par la société Silicon Designs. En associant le micro usinage et la technologie des circuits intégrés, ils ont réussi à produire un accéléromètre capacitif d’une extrême fiabilité. Ce capteur conçu sur une base impeccable a permis de réaliser l’un des premiers succès commerciaux des capteurs MEMS (Micro-ElectroMechanical System). Retour en détails sur le fonctionnement de ce capteur capacitif qui lui ont permis d’obtenir de telles performances technologiques.
Une histoire de capteurs...
Les premiers capteurs ont été utilisés vers les années 90 pour le déclenchement des airbags individuels et pour des essais industriels ou aéronautiques. Depuis leur conception initiale, nos travaux de recherche constants ont permis d’augmenter la fiabilité, la sensibilité et la robustesse de nos accéléromètres à tel point qu’ils sont actuellement utilisés dans des domaines entièrement nouveaux, tels que la navigation inertielle et les environnements à hautes températures.
La technologie actuelle de capteur permet de fabriquer des accéléromètres dont la sensibilité pleine échelle varie de moins d’un g à plus de 20 000 g. Au delà de la gamme d’utilisation standard (de 2 à 1000 g), la plupart de nos capteurs conservent leurs caractéristiques nominales après avoir supporté une exposition à 10 000 g ou une température supérieure à 200 °C.
Principaux domaines d’applications des capteurs
Automobile
Essais, suspension, air bag…
Agriculture
Suivi de production
Transport
Instrumentation des rames, suivi de chargements, essais…
Militaire
Détection d’impact, suivi de vol, navigation inertielle, évaluation de la position..
Aérospatial
Suivi vibratoire, essais en vol…
Forage
Évaluation de l’inclinaison, de la position…
Fabrication industrielle
Essais, suivi de production, suivi de chargements…
Introduction aux accéléromètres capacitifs miniatures MEMS
Les capteurs de Silicon Designs utilisent la variation de capacité électrique due à l’accélération comme paramètre mesuré. Cette technologie possède plusieurs avantages sur les capteurs piézorésistifs. En général, les capacités utilisant des gaz comme diélectriques sont relativement insensibles à la température.
Bien que des dimensions soient modifiées à cause de la dilatation thermique, le faible coefficient de dilatation de nombreux matériaux produit des variations de capacité d’un ordre de grandeur deux fois plus faible que les variations d’impédance d’un silicium dopé.
Ainsi, la mesure capacitive permet potentiellement d’obtenir une plus grande gamme de température de fonctionnement, sans compensation. De plus, la technologie piézorésistive nécessite une entrée dynamique ayant une fréquence minimale pour générer un signal.
Les capteurs capacitifs permettent de suivre des phénomènes statiques aussi bien que dynamiques. Ces deux avantages permettent aux accéléromètres capacitifs d’être utilisés pour une gamme d’applications plus étendue.
Un accéléromètre Silicon Designs classique est un module à 20 broches comportant deux éléments : la partie sensible (ou capteur puce) et le circuit intégré ou puce ASIC (voir figure ci-dessus).
Les puces sont soudées en utilisant des fixations standard de puces et des soudures dorées, l’ensemble étant scellé pour fournir un dispositif simple et parfaitement hermétique.
Assemblé avec une des deux puces ASIC pour fournir une sortie analogique, cet accéléromètre standard peut être facilement assemblé sur une carte électronique et est utilisé pour fabriquer tous les modules mono ou tri axiaux de Silicon Designs.
Élément sensible micro-usiné
La structure générale de la partie sensible d’un capteur Silicon Designs est représentée sur la figure ci dessous. Le balancier est une plaque mince en nickel maintenu au-dessus de la surface du substrat par deux barres de torsions liées au socle central.
La structure est de forme asymétrique de façon à ce qu’un coté soit plus lourd que l’autre, ce qui déplace le centre de gravité au-delà de l’axe des barres de torsion. Lors d’une accélération, un moment se produit autour des barres de torsion, le balancier étant libre de tout mouvement, seulement limité par la constante de raideurs des barres de torsions.
Sur la surface du substrat, en dessous des plaques du balancier, deux plaques conductrices sont placées de manière symétrique par rapport à l’axe des barres. La plaque du balancier et celles sur le substrat forment ainsi deux capacités variables à air (avec une connexion commune. Ceci crée un pont capacitif entièrement actif).
Lorsque le balancier tourne autour de l’axe, la distance moyenne entre une des plaques et la surface diminue, ce qui augmente la capacité de cette plaque alors que la distance moyenne la plaque de l’autre coté de l’axe augmente, diminuant ainsi sa capacité.
Ce concept peut être et a été utilisé avec une grande variété de matériaux. Sous contrat de licence, Ford a fabriqué des accéléromètres basés sur cette technologie en utilisant des techniques de fabrication standard à base de silicium.
Cependant, l’utilisation de matériaux métalliques par galvanoplastie permet une meilleure adaptation des performances et augmente la sensibilité par rapport à leur équivalent en silicium.
Silicon Designs produit ses éléments sensibles à partir du nickel et de ses alliages grâce à leur facilité d’électroformage et aussi de leur dureté et de leur densité.
Les plaques du balancier sont d’environ 1000 microns de long, 600 microns de large et 5 à 10 microns d’épaisseur. Un écartement de 5 microns entre une plaque et le substrat produit une capacité d’environ 0,15 pF. La sensibilité de ce dispositif (ratio entre la déflection et l’accélération) est déterminée par la masse de l’élément sensible, la distance entre le centre de gravité et l’axe ainsi que par la raideur des barres de torsions. Des butées mécaniques peuvent être ajoutées aux quatre angles extérieurs de chaque aile du balancier pour permettre une protection supplémentaire de la barre de torsion en cas de surcharge lors d’un choc violent. Chaque puce complète contient deux balanciers donc quatre capacités.
Fabrication de l'élément sensible
La fabrication de structures de surface en utilisant un électroformage sélectif est différente de la méthode conventionnelle pour la fabrication des MEMS à base de silicium. Pour cette technique, un métal est déposé par galvanoplastie sur un substrat conducteur au travers d’un masque résistant. Après que le masque photorésistant ait été enlevé, le métal reste à la surface selon le motif défini par le masque. Pour obtenir un élément sensible suspendu, la structure est partiellement fabriquée sur le dessus d’un matériau de remplissage préalablement déposé. Une fois que l’élément sensible est constitué, le matériau de remplissage est enlevé laissant l’élément sensible reposer sur la zone où il est en contact direct avec la surface. L’utilisation d’une technique par « addition » plutôt que celle par gravure sélective utilisée pour le silicium permet de façonner des structures plus complexes avec des vides partiellement fermés ou des structures multicouches complexes. De plus, les récentes avancées de la technologie par photo-résistance permettent de définir avec plus de facilités des contours francs.
La fabrication des capteurs de SILICON DESIGNS se fait à partir des plaques (wafer) de silicium de 4 pouces. Nous utilisons des techniques employant des produits photorésistants, un dispositif d’exposition par UV et un équipement spécifique de galvanoplastie. Une seule plaque permet de produire environs 1600 éléments sensibles, la plaque étant contrôlée puis découpée pour terminer le processus de production.
Puce électronique
Le second composant clef dans ce concept est l’ASIC (Application Specific Integrated Circuit) qui doit transformer les faibles variations de capacité de l’élément sensible en un signal électrique utilisable.
Cette électronique doit être très proche de l’élément sensible afin de mesurer avec précision d’infimes accélérations qui modifient la capacité en présence d’importantes capacités parasites.
Silicon Designs a développé deux versions de cet ASIC où l’un fournit une sortie numérique et l’autre une sortie analogique.
L’ASIC numérique génère un train d’impulsions dont la fréquence (ou plus précisément la densité d’impulsions) est proportionnelle à l’accélération.
L’ASIC analogique génère une tension de sortie différentielle proportionnelle à l’accélération.
Ces deux types d’accéléromètres permettent d’augmenter le nombre d’applications pouvant utiliser cet élément sensible. La plupart des machines d’essais et des anciens systèmes de mesures utilisent des capteurs analogiques.
Il est ainsi facile de passer à des accéléromètres Silicon Designs aux performances plus élevées (capteur analogique type 1210) sans modification majeure (enlever les s) et de permettre ainsi l’utilisation de techniques classiques de traitement du signal analogique.
L‘existence de l’accéléromètre numérique (capteur type 1010) permet une intégration aisée dans des systèmes basés sur des microprocesseurs sans l’embarras d’une conversion additionnelle A/D.
Un simple microprocesseur, tel qu’un PIC, est tout ce dont vous avez besoin pour mesurer la sortie de l’accéléromètre.
ASIC numérique
Fabriqué à partir d’un procédé CMOS à 2 microns, l’ASIC numérique fonctionne comme un convertisseur sigma-delta capacité-fréquence.
L’ASIC module l’élément capacitif et contrôle les effets de l’accélération sur l’élément sensible au travers de l’amplificateur.
Le comparateur démodule alors la sortie de l’amplificateur pour former une sortie numérique en densité d’impulsions (de type sigma delta).
La partie numérique de l’ASIC est pilotée par une horloge externe, et elle contrôle la séquence pour laquelle les tensions de références sont appliquées aux bornes des capacités de mesure.
Une mémoire non volatile de type PROM et un convertisseur D/A sont utilisés pour produire ces tensions de référence, ce qui permet d’étalonner l’accéléromètre et de compenser les variations de la tension de polarisation et la sensibilité de l’élément sensible dues à la production.
La sortie numérique de cette électronique permet un branchement direct sur microprocesseur à faible prix ou sur compteur numérique sans ajout d’un convertisseur A/N. De plus, ce type de sortie est relativement insensible aux interférences électromagnétiques (EMI) comparé à des signaux analogiques de faibles niveaux.
La sortie en densité d’impulsions consiste en une série d’impulsions logiques et la densité d’impulsions de ce signal est linéairement proportionnelle à l’accélération appliquée. L’impulsion de sortie varie d’aucune impulsion par seconde pour une accélération négative
pleine échelle à un taux maximum d’impulsions (égal à la fréquence d’horloge) pour une accélération positive pleine échelle. Pour une accélération nulle, le taux d’impulsions est égal à la moitié de la fréquence de l’horloge d’entrée.
ASIC analogique
Fabriqué à partir d’un procédé CMOS à 2 microns, l’ASIC analogique fonctionne comme un convertisseur capacité-tension.
Il utilise un circuit d’amplification à capacité commutable pour convertir les faibles variations de capacité de l’élément sensible en une sortie tension à haut niveau.
Au lieu d’amplifier une tension variable en utilisant des capacités fixes, il amplifie une tension fixe en utilisant des capacités variables (celles du balancier).
L’ASIC module l’élément sensible capacitif et suit les effets de l’accélération sur l’élément sensible via l’amplificateur. Le signal est alors démodulé, puis à nouveau amplifié afin de fournir une sortie différentielle (AOP et AON) de faible impédance.
Un générateur de phase à horloge incorporée contrôle la séquence pour laquelle les tensions de références sont appliquées sur les bornes des capacités de mesures. Il contrôle aussi la séquence d’activation du modulateur à base de capacités, d’activation du démodulateur et de l’amplificateur.
Une mémoire non volatile de type PROM et des convertisseurs D/A sont utilisés pour générer ces tensions de référence et permettent d’étalonner l’accéléromètre et de compenser les variations de la tension de polarisation et la sensibilité de l’élément sensible dues à la production.
Les amplificateurs en bout de ligne intégrés sur l’ASIC fournissent une impédance de sortie suffisamment basse de façon à ce que l’ajout d’un conditionneur de signal soit inutile.
La sortie différentielle est très utile pour filtrer le bruit classiquement présent dans un environnement électrique perturbé. Cette électronique délivre une tension de sortie importante (+ /- 4 volts) linéairement proportionnelle à l’accélération appliquée.
La sortie mesurée est la différence entre AOP – AON. Cette tension varie de (AOP-AON) = – 4 volts pour une accélération négative pleine échelle, à (AOP-AON = 4 volts pour une accélération positive pleine échelle.
Pour une accélération nulle, la tension de sortie est (AOP-AON) = 0 volt.
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