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Systèmes embarqués Cours 6 Systèmes embarqués Sylvain Tisserant - ESIL Principes Capteurs avec conditionnement CAN Actionneurs avec conditionnement CNA Système numérique de contrôle commande Système physique Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Principes (2) Aujourd’hui : transformer une grandeur physique m en un signal de nature électrique (tension, courant ou charge) s = f (m) ou s = f (m, g1, g2 ,...) s = signal, m = mesurande, f = caractéristique, g = environnement, "parasites" , etc. Système numérique : conversion analogique numérique (quantification) et vice-versa Exploitation plus simple si caractéristique linéaire Sensibilité (pour des petits signaux) δs = S δm ⇔ S= df (m) dm Pour un capteur idéal, S doit être insensible à m (linéarité) et à sa fréquence de variation (bande passante), au vieillissement et à l’influence de l’environnement (température, éclairement, etc.) Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Capteurs actifs Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Capteurs passifs Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Mesure de température Capteurs résistifs Resistance fonction de la température R(θ) = R 0 (1 + a θ) Cu : a = 3.9 10-3 θfusion = 1084 °C Ni : a = 6.7 10-3 θfusion = 1435 °C Pt : a = 3.8 10-3 θfusion = 1755 °C Exemple le plus fréquent : Pt 100 Platine avec R0 = 100 Ω à 0°C Entre -259 °C et 960 °C Nombreuses formes et tailles Encapsulées, film Pt déposé sur céramique (faible inertie thermique) ou sur isolant souple, etc. Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Capteurs résistifs (2) Deux montages Fils en constantan (55% Cu – 45% Ni) : résistance indépendante de la température Minimiser le courant dans la sonde pour limiter l’effet Joule Pont de Wheatstone Sondes dites 3 fils v = f(θ) Loi d’Ohm Sondes dites 4 fils v = f(θ) Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Thermistances Semi-conducteur à base d’oxydes métalliques (cobalt en mélange avec terres rares) R(T ) = R0 eb / T b ≈ -0.05 K-1 Aussi dénommée résistance à coefficient négatif Miniaturisable Mais non linéaire Peu stable avec le temps Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Capteurs à jonction pn Caractéristique statique d’une jonction pn ID = IS (e V / V − 1) T avec VT = kT e En pratique transistor monté en diode dans contre-réaction d’un ampli Op Circuits intégrés Avec interfaces pour bus (I2C, etc.) Utilisation fréquente en embarqué Contrôle et régulation température du boîtier Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Effet Seebeck Conducteur soumis à un gradient de température Deux effets contradictoires Electrons “chauds“ plus rapides que les électrons “froids“ ⇒ diffusion ⇒ accumulation d’électrons du côté froid Libre parcours moyen des électrons “chauds“ plus court (lpm ∝ 1/v) ⇒ électrons “chauds“ parcourent des distances plus faibles ⇒ accumulation d’électrons du côté chaud Le phénomène dominant dépend du matériau, en particulier de sa densité d’électrons libres Un déséquilibre de la répartition spatiale des électrons crée un champ électrique, qui s’oppose au déséquilibre. On atteint un régime stationnaire La différence de potentiel est proportionnelle à la différence des températures Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Thermocouples Association de deux matériaux aux pouvoirs thermoélectriques opposés Pt / Pt-Rh ou Fe / Constantan Soudure froide : température de référence (glace fondante, bloc isotherme, etc.) Soudure chaude : température à mesurer Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Piézoélectricité Un champ électrique polarise une substance diélectrique en y introduisant des moments dipolaires. Ce déplacement de charges, à partir de leurs positions d'équilibre, peut modifier les dimensions du solide : c'est l'électrostriction qui existe à un degré plus ou moins important pour tous les cristaux. Piézoélectricité (1881 – Pierre et Jacques Curie) Propriété de certains matériaux Polarisation électrique sous l’effet d’une déformation mécanique (effet direct) Déformation lorsque soumis à un champ électrique (effet inverse) Le plus connu : le quartz (SiO2) Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Piézoélectricité (2) Interprétation qualitative Atome d’oxygène : électronégatif ⇒ orbitales plus denses au voisinage des atomes d’oxygène Atome de silicium : électropositif Au repos les barycentres des charges positives et négatives sont confondus Pression ou traction ⇒ déformation du cristal Les barycentres des charges positives et des charges négatives se déplacent en sens opposés Ces déplacements se compensent dans le volume du cristal, mais pas en surface ⇒ apparition de charges de signes opposés sur deux faces, comme dans un condensateur Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Piézoélectricité (3) Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Piézorésistivité Modification de la résistance de films métalliques, de semi- conducteurs ou de films composites (cermet : céramique-métal) sous l’action de contraintes Superposition de deux effets Modification de la résistivité : par exemple dans un film constitué d’un polymère chargé de particules conductrices. Sous l’action d’une force les distances séparant les particules peut varier, induisant une variation de la conductivité. Déformation géométrique (piézorésistivité géométrique) Modification du chemin entre deux électrodes sur un semiconducteur Modification de la longueur et/ou de la section d’un conducteur Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Jauge de contraintes Basée sur piézorésistivité : déformation de jauges à fils, à trame pelliculaire ou à semi-conducteur Collée sur le support dont on veut mesurer les déformations Mesure par pont Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Capteurs de force ou pression Capteur capacitif Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Capteurs de force ou pression (2) Capteur piézoélectrique Deux membranes piézoélectriques inverses pour améliorer la sensibilité (microphone : pression acoustique) Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Accéléromètre Principe : Bâti solidaire du mobile Masse sismique Lame flexible Mesure de la position de la masse par rapport au bâti Mesure : Déformation de la lame par jauges de contrainte Capacité d’un condensateur formé par masse sismique et une surface de référence Mesure optique avec un miroir sur la masse sismique Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Accéléromètre tout silicium Jauges de contraintes Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Accéléromètre pyrex Tout pyrex Mixte : technologie silicium sauf butée en pyrex. Avantage lame de pyrex de plus grande épaisseur qui facilite la manipulation Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Accéléromètre (2) Capteur optique : CCD Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Capteur optique : CCD Détection lumière : Effet photoélectrique ≡ absorption d’un photon avec émission d’un électron (énergie électron = énergie photon – énergie de liaison) Electron dans matière : ionisation (semi-conducteur : paires électron-trou) Si champ électrique : dérive des porteurs ⇒ courant électrique CCD : première étape on piège la charge Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Capteur optique : CCD (2) Deuxième étape on déplace les charges CCD : Charge Coupled Device Trois modes de lecture Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Capteur optique : CCD (3) Transfert pleine trame Obturateur Ouvert pendant intégration Fermé pendant transfert Transfert parallèle puis série Et enfin numérisation Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Capteur optique : CCD (4) CCD interligne Zone image : photodiodes Zone stockage Chargement zone stockage Puis transfert parallèle puis série Photodiodes : 25-40 % de la surface Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Capteur optique : CCD (5) CCD à transfert de trame Deux plans de CCD Un plan exposé Second masqué Transfert d’un plan vers le second Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Effet Hall Champ magnétique perpendiculaire au courant Force de Lorentz ⇒ excès de charges sur une face et déficit sur l’autre Champ électrique qui s’oppose à la force de Lorentz Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Mesure de champ magnétique Initialement effet Hall utilisé pour mesurer nature, densités et mobilité de porteurs dans des matériaux tels que semiconducteurs L’amélioration de la sensibilité a permis la réalisation de sondes de mesure de champ magnétique utilisables dans l’industrie Autre principe de mesure : magnétorésistance Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Sonde à effet Hall Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Magnétomètres Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Déplacements Capteurs magnétiques Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Déplacements (2) LVDT Capacimètre Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Déplacements (3) Interférométrie Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Distances (4) Ultrasons Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Distances (5) Capteur résistif Capteur magnétorésistif Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Déplacements (6) Codeurs optiques Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Débits Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Débits (2) Débimètre à cible Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Débits (3) Electromagnétique Ionique Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Débits (4) Ultrasons Fluides propres Effet doppler Fluides chargés de particules ou billes Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Non traités Capteurs chimiques Capteurs biomédicaux Automobiles Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009
