"Capteur Inertiels".
publicité
Principe)de)capteur)iner,el)) • Les)capteurs)iner,els)caractérisent)des) phénomènes)liés)à)déplacement)à)vitesse) variable)(accéléra,on))et)à)la)gravita,on.)) • Exemple):)accéléromètre)(voiture,)avion…),) gyroscope)(orienta,on)du)vecteur)de)champ) gravita,onnel))) • Au)cœur)de)capteur)iner,el):)une)masse)) Capteurs)iner,els)à)base)de) MEMS) Dimitri)Galayko) 1) 3) Sommaire) Principe)de)capteur)iner,el)) • Une)masse):)une)source)de)la)force)d’entrée) • Principe)de)fonc,onnement)des)capteurs) iner,els) • Composantes)des)capteurs)iner,els:) F# – Résonateurs)) – Transducteurs)) – Interfaces)électriques) a# x) m) • Capteur)de)gravita,on:)F=mg# • Capteur)d’accéléra,on):)F=Dma## • Les#capteurs#iner/els#mesurent#la#force#F# • Présenta,on)du)miniDprojet)«)concep,on) d’accéléromètre)») 2) 4) Principe)de)capteur)iner,el) Principe)de)capteur)iner,el) • Comment)mesurer)une)force)?)) – L’associer)à)un)ressort) – Mesurer)la)déforma,on)du)ressort)(principe)d’une) balance))) k) x=F/k) m) F# an,rms = k) m) x) x) 0) 5) Principe)de)capteur)iner,el) • f0=23.7)kHz,)m=2.2eD10)kg,)Q=5:) ) ) ))an,rms=4.8eD3)m/s2)ou)0.5mg/Hz1/2) 7) • Il)s’agit)donc)de)mesurer)le)déplacement)!)) • Lien)entre)le)déplacement)et)l’accéléra,on)?) La)loi)de)Newton)écrite)dans)le)repère)lié)au) support)de)la)masse)mobile)(x)sur)le)transp.) précédent))) k) m) F# 4kbTω 0 mQ Principe)du)capteur)iner,el) • EstDce)un)résonateur)?) x=F/k=maext/k) • Bruit)dans)les)accéléromètres:)limites) physiques)à)la)resolu,on) • Dans)une)bande)de)1)Hz,)le)r.m.s.)de)la)force) de)bruit:) Fn = 4kbT µ • Pour)l’accéléra,on:)) k) m) −kx − µ x + F = m x, où F = −maext ou F = mg x) x) 0) ) 2) ω0 = k / m • Oui)!)Sachant)que)))))))))))))))))))))),)on)a)x=a ext/ω0 • Plus)ω0)est)grand,)plus)x)est)pe4t) • Dans)le)domaine)de)Laplace:)) x( p) 1 ) = , F( p) 6) k + µ p + mp 2 8) Principe)du)capteur)iner,el) Mesure)de)la)posi,on) • Schéma)en)boucle)ouverte):) Force)) d’entrée) Déplacement) X) Capacité) C) C) Tension) U) • Choix)du)transducteur)capaci,f):)c(x))est) linéaire/nonDlinéaire) Masse+ressort) (résonateur)) • Schéma)en)boucle)fermée):))) Force)) d’entrée) +) Erreur)de) )trainage) D) Depl.) Masse+ressort) (résonateur)) Force)de)contreDréac,on) X) Capacité) C) F) C) U) Correcteur) Out) (PI,)PID…)) U) • Choix)de)la)mesure)différen,elle/unipolaire)) 9) Principe)du)capteur)iner,el) 11) Mesure)de)la)posi,on) • Conversion)«)posi,onDtension)»):)capaci,ve)ou) piézoélectrique) • Nombreuses)techniques)de)mesure)de)la)capacité)–)cf.) plus)loin) • Boucle)ouverte)ou)boucle)fermée)?)Boucle)fermée)!) Pourquoi)?)) – Tous)les)bienfaits)de)systèmes)en)boucle)fermée)–) améliora,on)de)la)linéarité,)de)la)bande)passante,)de)la) stabilité) – Système)plus)complexe,)car)nécessite)une)transduc,on) «)tensionDforce)»,)mais)naturellement)faisable)avec)MEMS.) 10) • Choix)de)la)mesure)différen,elle/unipolaire)) • Technique)de)la)mesure)de)la)capacité)?)) 12) Mesure)de)la)posi,on) Mesure)de)la)posi,on) • Mesure)de)capacité)«)unipolaire)»):)capacités) commutées)) • Mesure)de)capacité)«)unipolaire)»):) amplificateur)de)transimpédance)) • On)mesure)la)vitesse)et)non)pas)la)posi,on)si) Vs)est)une)source)DC!)) 13) Mesure)de)la)posi,on) • Φ1,)Φ2):)les)horloges)en)opposi,on)de)phase)) • Mesure)directe)de)la)capacité)!)Insensible)à)la) capacité)parasite) ) 15) Mesure)de)la)posi,on) • Mesure)de)capacité)«)unipolaire)»):) amplificateur)de)transimpédance)) • Mesure)de)capacité)«)unipolaire)»):)détec,on) synchrone) • Ici,)Vs)est)AC,)on)mesure)la)posi,on)!)) • À)quoi)sert)la)résistance)RF)?)) • L’avantage):)récupéra,on)du)signal))à)basse) fréquence,)très)fiable)) • L’inconvénient):)nécessite)un)filtre)analogique) 14) 16) Vm C4a C4b C2b C2a V Mesure)de)la)posi,on) C3a Mesure)de)la)posi,on) Vout out C1a C3b • Mesure)de)capacité)«)différen,elle)»):)principe)) C1b • Exemple)d’un)circuit)complet)pour)une) configura,on)différen,elle)(PhD)de)A.)Babak)) Vm Mesure)différen,elle)–)sor,e)unipolaire) Figure 5. Simplified equivalent circuit of the sensor. Vm C4 C2 Vout Vout C1 C3 Mesure)différen,elle)–)sor,e)différen,elle) Vm 17) 19) Figure 3.5: Schematic diagram of a reference-capacitor-less SC readout circuit. The amplification capacitors are binary-weighted and are programmable through a 4- Mesure)de)posi,on)) Mesure)de)la)posi,on:)conclusion)) bit digital word. The fully-differential scheme helps to reduce common mode noise such as the substrate noise. Using CMOS switches, there is no need for the delayed • Mesure)différen,elle) )–)sor,e)unipolaire) version of the non-overlapping clocks. There are two clock phases, φ1 & φ2, involved • Mesure)différen,elle)offre)davantage)de) in the souplesse)pour)réaliser)les)circuits) circuit. In the sampling phase (φ =high, φ =low), C and C are charged with 0.5V and amplification capacitors (C ) are discharged to zero (Figure 3.6). électroniques) • Les)capacités)commutées)ou)une)détec,on) synchrone)sont)des)techniques)u,lisées)pour) mesurer)une)capacité) 1 DD Figure 3.1: Schematic diagram of a reported capacitive microaccelerometer. Figure 3.1: Schematic diagram of a reported capacitive microaccelerometer. • Mesure)différen,elle) )–)sor,e)différen,elle) 18) Figure 3.2: Schematic diagram of a fully-differential capacitive microaccelerometer. 2 S1,2 R1,2 A1,2 20) Fonc,onnement)en)boucle)fermée) 6.2 PRINCIPLE OF OPERATION • block L’avantage)?)Le)transducteur)reçoit) The Functional diagram of a closed-loop capacitive microaccelerometer system uniquement)l’erreur)de)trainage,)1D2)ordres) is shown in Figure 6.1. de)grandeur)plus)faible)que)la)force)d’entrée):) – NonDlinéarité)!)) – Rapidité)(bande)passante)élargie))!)) Force)) d’entrée) +) Erreur)de) )trainage) D) Depl.) Masse+ressort) (résonateur)) Force)de)contreDréac,on) X) Capacité) C) F) C) Fonc,onnement)en)boucle)fermée) • L’objec,f):)maintenir)le)transducteur)près)de) la)posi,on)d’équilibre) • Architecture)SigmaDDelta)!)) Fext + - Hc(z) V Sense Element U) Digital x Σ Position Sense Preamp Out Compensator Comparator and Latch Correcteur) Out) (PI,)PID…)) F 6.2 PRINCIPLE OF OPERATION U) 21) V Electrostatic Force Transducer The Functional block diagram of a closed-loop capacitive microaccelerometer system 23) is shown in Figure 6.1. Figure 6.1: Functional block diagram of an electromechanical ΣΔ accelerometer. The accelerometer includes parallel-plate and comb-drive capacitors around its body Fonc,onnement)en)boucle)fermée) (Figure 6.2). The proof mass movement changes the parallel-plate and comb-drive capacitances. The actuator is a part of the accelerometer including comb drives and parallel-plate • feedback capacitors. ContreDréac,on)un)ac,onnement)capaci,f)!) • Pourquoi)sigmaDdelta)?) The accelerometer parallel-plate and comb-drive capacitors around its body • includes La)force)de)retour)est)quadra,que)en)fonc.)de)U) (Figure 6.2). The proof mass movement changes the parallel-plate and comb-drive • Donc,)difficile)à)réaliser)quand)le)système)est) capacitances. The actuator is a part of the accelerometer including comb drives and Figure 2: System diagram with forward path lead compensator analogique) parallel-plate feedback capacitors. ) ) ) ) ) ) ) ) )SigmaDDelta:)le)retour)est) ) Micromachined ) ) )ΣΔ Accelerometer ) )«)bangDbang)»,)+1)ou)D1) Page 9 Lemkin, et.)al.: A)3-Axis) Surface - To Appear at ISSCC 1997, Session 12.4 ) ) ) ) ) ) ) ) )En)plus,)une)conversion)) ) ) ) ) ) ) ) ) )analogiqueDnumérique)!)) ) Figure 6.1: Functional block diagram of an electromechanical ΣΔ accelerometer. Cs):)sensing)capacitors) CC)CP):)feedback)actuators) )gap)closing)and)area) )overlap) 22) Figure 6.2: Schematic diagram of a capacitive microaccelerometer with parallel-plate sense CS and comb-drive CC feedback electrodes. Fonc,onnement)en)boucle)fermée) 24) Figure 6.2: Schematic diagram of a capacitive microaccelerometer with parallel-plate sense CS and comb-drive CC feedback electrodes. Bibliographie) • S.)D.)Senturia,)Microsystem)Design,)2001)) • Ayman)Ismail,)Designing#closed6loop#MEMS6based#capaci/ve# iner/al#sensors,#MEMS#technologies,#Electronic)Engineering)Times) Europe)March)2013)) • Thèse)de)doctorat)de)A.)Babak,)A#Mixed6Signal#Low6Noise#Sigma6 Delta#Interface#IC#for#Integrated#Sub6Micro6Gravity#Capaci/ve#SOI# Accelerometers,#2006# • M.)Kraw)et)al.,)Closed)Loop)Micromachined)Iner,al)Sensors)with) Higher)Order)SDDModulators,)2001)Interna4onal)Conference)on) Modeling)and)Simula4on)of)Microsystems)) • Yin)Liang)et)al.,)High#resolu/on#interface#circuit#for#closed6loop# accelerometer,#Journal)of)Semiconductors,)2011)#) • Mark)A.)Lemkin)et)al.,A#36Axis#Surface#Micromachined#Σ∆) Accelerometer,#ISSCC)1997)) 25)
