TECHNOLOGIE DES CAPTEURS CAPACITIFS

DES EXPERTS EN MESURES DYNAMIQUES
TECHNOLOGIE DES CAPTEURS CAPACITIFS MINIATURES SILICON DESIGNS*
RESUME
SILICON DESIGNS a développé une technologie d’accéléromètre miniature associant le microusinage et la technologie des circuits intégrés pour produire un accéléromètre capacitif d’une
extrême fiabilité. SILICON DESIGNS, en concevant un capteur sur une base nickel a réalisé l’un
des premiers succès commerciaux des capteurs MEMS (Micro-ElectroMechanical System). 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
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Automobile : essais, suspension, air bag
Agriculture : suivi de production
Fabrication industrielle : essais, suivi de production, suivi de chargements
Transport : instrumentation des rames, suivi de chargements, essais
Forage : évaluation de l’inclinaison, de la position
Aérospatial : suivi vibratoire, essais
Militaire : essais lors de lancement et lors d’impact, suivi de vol, navigation inertielle,
dispositif de sécurité avant amorçage, évaluation de la position, détection d’impact
ACCELEROMETRES 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 cidessus). 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.
Elément 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. 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 NUMERIQUE
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 l 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.
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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.
*SILICON DESIGNS INC. est représenté par :
ALLIANTECH S.A.S.
12 rue Traversière
92230 Gennevilliers
Tél. 01 47 90 77 77 Fax 01 47 33 32 20
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