Capteurs et chaine de mesureTravaux Pratiques

ENSEA - EIB

F. Kölbl

2019 - 2020

Table des matières

1 TP1 : modélisation multiphysique d’un capteur MEMS piézo-résistif 1

2 TP2 : conception d’un étage de conditionnement intégré sur silicium 5

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Capteur - TP1MEMS :

A travers ce TP nous allons modéliser et simuler un capteur de type MEMS (MicroElec-troMechanical System) qui sert à capter différents gaz. Ce capteur est réalisé en silicium, etutilise les aspects piezo-resistif de ce matériaux. Il consiste en en partie fixe, le bulk, à laquelleest attachée une micro-poutre qui est excité (à l’aide d’un dispositif accoustique) afin d’être enoscillation libre.

Une série de capteur est ensuite utilisé en paralèlle : le premier servant de référence(fréquence de résonance fixe), les autres sont placés dans des gaz à mesurer, ce qui modifiela fréquence propre du capteur, ou l’amplitude de l’oscillation du capteur à fréquence fixe.

Nous dimensionneront les premiers étages d’aquisition en technologie CMOS au cours duTP2. Le TP1 a donc pour but d’obtenir un modèle électrique de ce MEMS. Nous étudieronsici le capteur de référence, placé dans l’air. Nous modéliserons les aspects :

• mécaniques, afin d’obtenir les fréquences possible d’oscillation à vide,

• électrique, afin d’obtenir l’évolution du potentiel électrique en sortie du capteur.

La modélisation de ce capteur se fait sur COMSOL, qui est un logiciel de simulation multi-physique par la méthode des Elements Finis (FEM).

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1 Modélisation des déformations et fréquences de résonanced’une micro-poutre encastrée

La structure du capteur utilisé est donnée dans la figure suivante :

Le bulk est constitué de silicium dopé P (p-Silicon, single-crystal, lightly doped). La résistanceest considérée de profondeur nule (et peut être négligée pour la simulation mécanique). Elleest réalisée en silicium dopé N (n-Silicon, single-crystal, lightly doped). Les dimensions sontdonnées dans le tableau suivant :

W (µm) L (µm) h (µm)bulk 70 20 20poutre 20 100 1resistance (rectangle de base) 1 35

1. Créer un fichier de simulation dans lequel vous ferez une analyse harmonique mécaniquesur la micro-poutre.

2. Construire la représentation 3D de la poutre encastrée, vous utiliserez les matériaux pré-remplis sous COMSOL.

3. Que vaut la masse volumique du silicium ?

4. Que valent le module d’Young et le coefficient de poisson du matériau ?

5. A quoi correspondent ces deux paramètres ?

6. Calculer la fréquence fondamentale de vibration de la poutre à l’aide de la formule :

f = 3, 522πL2

√E · IρS

où E est le module d’Young, S la surface de la section de la poutre et I le moment d’inertiede la poutre donné par :

I = Wh3

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7. A l’aide d’une simulation harmonique, dresser un tableau des fréquences de résonnance dela structure, dans lequel vous noterez les fréquences et si il s’agit d’une flexion ou d’unetorsion. Ce résultat est-il cohérent avec celui trouvé à la question précédente ?

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2 Simulation électrique de la poutre en vibrationOn souhaite maintenant étudier la réponse électrique du capteur lors des déformations. Lecapteur sera alimenté en 0 - 3.3V. Vous utiliserez une simulation ’statique’.

1. Sans simulation, dresser le schéma électrique équivalent du circuit réalisé avec le siliciumdopé N.

2. Sans déformation, à quel potentiel doit-on s’attendre en sortie du capteur ?

Commencer une nouvelle simulation. Vous chargerez à partir du module MEMS, les physiques’mécanique du solide’ et ’courants électrique, coque monocouche’

3. Définir la géométrie, en particulier vous définirez les surfaces en silicium N dans un planque vous construirez à la surface de la structure en silicium P.

4. Dans la physique ’mécanique’, placer un encastrement et appliquer un déplacement imposéde 0µm vers de bas sur la partie libre de la micro-poutre.

5. Dans la physique ’courants électrique’ :(a) Spécifier la haute de coque de ds = 400nm. A quoi correspond ce paramètre ?(b) Quelles sont les équations simulées ? A quoi correspondent-elles ?(c) Spécifier les conditions aux limites. En particulier vous placerez un terminal de sortie

à travers lequel aucun courant de sortie ne passe.(d) Concrètement, à quelle condition sur l’étage d’aquisition les simulations effectuées par

la suite seront-elles valables ?(e) Rajouter un matériau piézo-résistif. Vous spécifirez la densité de population a nd =

1.32 · 1020cm−3

6. Dans le menu multi-physique, quelle sont les équations simulées ? Expliquez les briève-ment (quelles sont les grandeurs mises en jeux, à quoi correspondent les constantes...).L’utilisation d’internet ou de toute (autre) documentation n’est pas interdite !

7. Lancer la simulation pour le déplacement imposé nul. Le résultat est il cohérent avec laquestion 2 ?

8. Que vaut le courant consomé par le capteur ? En déduire la valeur de résistance totaleprésentée entre l’alimentation et la masse.

9. Lancer la simulation pour un déplacement que vous choisierez (compris entre ±1µm). Quelleest la valeur du potentiel de sortie du capteur ?

10. Eventuellement à l’aide d’une simulation paramétrique (ou au pire plusieurs simulationsstatiques) :(a) Tracer le potentiel du capteur en fonction du déplacement.(b) La courbe est-elle linéaire ? si non, quelle est la plage de linéarité ?(c) quelle est la sensibilité du capteur ?

11. Dresser un schéma équivalent (sortie en tension, donc générateur de Thévenin) du capteurpiézo-resistif, excité à sa fréquence fondamentale pour un déplacement d’amplitude de 0.1µmsans gaz venant le perturber.

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TP2Conception d’un étage de conditionnement intégré

sur silicium

Ce TP a pour but de concevoir un étage d’amplification permettant de récupérer le signalissu de la micro-poutre étudiée au TP1. On utilise en réalité deux micropoutres afin d’avoir unsignal différentiel issu d’un pont de wheatstone, la micro-poutre 1 est identique à celle étudiée auTP précédent, la seconde a les mêmes résistances, est soumise au même milieu mais les brochesd’alimentation sont inversées (on considèrerera que les deux micro-poutre sont en vibrations dephase). Le signal différentiel est donc d’amplitude double par rapport à une seule micro-poutre.

1 Prise en main de Cadence1.1 Lancement et création d’une librairieVous allez utiliser Cadence, qui est un logiciel permettant de créer, simuler, placer et routerun schéma CMOS au niveau transistor. Nous allons utiliser une technologie CMOS réelle, quidate un peu (1998) mais qui a pour avantage d’avoir des caractéristiques électriques simpleset qui est d’ailleurs toujours utilisée pour certains circuits commerciaux. Cette technologiea été développée par le fondeur Austria Micro Systems, et a pour largeur de grille minimumW = 0.35µm. Il est possible de router les transistors avec 4 niveaux de métalisation. Cettetechnologie a donc été dénommée ’AMS C35B4’. Cette technologie est prévue pour supporterune alimentation de 0 − 3.3V . Pour des raisons de simplicité, nous utiliserons une alimentationsymétrique de ±1.65V

Pour lancer cadence, commencez par créer un dossier de travail (mkdir), puis une fois placédans ce dossier, lancez la commande :

ams_cds -tech c35b4Cette commande lance cadence et lie le dossier avec les élements permettant d’utiliser la tech-nologie AMS.

Une fois cadence ouvert, vous aurez une fenêtre ’Library Manager ’. Dans cette fenêtre,selectionner le menu ’File’, puis ’New’ puis ’Library’, et donnez un nom à cette librairie. Aprèsavoir cliqué sur ’OK ’, sélectionnnez l’option ’Attach to an existing technology library’, puis’TECH_C35B4 ’.

Vous disposez maintenant d’une librairie de travail, dans laquelle vous pouvez créer desschémas CMOS, vous pouvez y accéder depuis le ’Library Manager ’.

1.2 Création d’un schémaDans ’Library Manager ’, sous votre librairie de travail, selectionner le menu ’File’, puis ’New’puis ’Cellview’, spécifiez un nom et vérifiez que le champ ’File’ est bien sur ’schematic’. Cliquezsur OK et une fenêtre s’ouvre pour créer votre schéma. Cette fenêtre est celle du logiciel’Schematic L’

Vous pouvez alors utiliser les racourcis suivants :

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• ’I’ pour ajouter un composant. Les composants de la technologie AMS sont regroupésdans la librairie ’PRIMLIB’ (à explorer), les composants annexes sont dans la librairie’Analoglib’ (également à explorer).

• ’W’ qui vous permet de créer des fils entre composants,

• ’P’ qui vous permet de créer des pins d’entrée/sortie à vos schémas

• ’X’ qui vérifie et sauvegarde le schéma,

• ’L’ qui permet de placer des labels sur des fils.

1.3 Faire un symbole pour un bloc/schémaUne fois le schéma saisi, aller dans le menu ’Create’ puis sélectionner ’Cellview’ puis ’From Cel-lview’. Une première fenêtre vous demande de spécifier la position des broches d’entrée/sortie,puis après validation une seconde fenêtre permet d’éditer le symbole que vous attribuez à votrebloc/schéma. Ce composant peut alors être replacé sur un composant.

1.4 Faire une simulation électriqueLes simulations électriques peuvent être réalisée en allant dans le menu ’Launch’ puis ’ADE_L’.Une fenêtre séparée s’ouvre, dans laquelle vous pouvez :

• ajouter une simulation avec le menu ’Analyses’ puis ’Choose’,

• selectionner sur le schéma les grandeurs observées avec le menu ’Outputs’ puis ’to besaved/ploted’ puis ’Select on design’ (cliquer sur un fil pour avoir une tension, un/unenoeud/broche pour avoir un courant),

• lancer les simulations actives avec le bouton lecture sur la droite de la fenêtre (ne pasoublier de sauvegarder l’ensemble des fichiers concernés !).

en guise d’introduction, le meilleurs excercice est de réaliser une simple porte’non’ avec un PMOS et un NMOS et de la tester.

2 Etude et réalisation d’un bloc AOPDans un premier temps nous allons réaliser un premier bloc qui nous servira ensuite à faire

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Les dimensions des transistors vous sont données dans le tableau suivant :

L (µm) W (µm)P1, P2, P3, P4, P5 10 1P6, P7 250 0.35N1, N2 10 2N3 10 0.35

Ce schéma est un mauvais mais suffisant AOP pour ce que nous allons faire. Il se base parcontre sur un schéma réel. Le courant Ibias est un courant de polarisation que vous fixerez dansun premier temps à 100µA

1. Sans simulation, expliquez brièvement le fonctionnement de ce schéma (que font P6, P7,N1 et N2 ? - que fait N3 ? - quelle est la fonction assurée par P1, P2, P3 et P4 ?).

2. tracer le schéma sous cadence, puis créer son symbole.

3. Testez et trouvez les caractéristiques principales de l’AOP, vous êtes libre de la méthode,libre de regarder ce qui vous semble pertinent, mais collectez les résultats de simulation !

4. Quelle est l’influence de la polarisation en courant sur la bande passante ? Vous fixerezune valeur permettant de réaliser un amplificateur pour notre application. (cf fréquencefondamentale trouvée sous COMSOL)

5. Une fois cette polarisation fixée, relevez par simulation la consommation statique de cetAOP.

3 Design d’un amplificateur d’instrumentationCette partie est exploratoire, le but est simple : à vous de designer un amplification d’instrumentation,vous pourrez vous inspirer de la structure que nous avons vue en TD, qui est la base de l’INA114 (sa datasheet peut facilement être trouvée en ligne). Ce dernier composant ne permettrapas d’amplifier le signal à la fréquence des micro-poutres, bien trop élevée pour des composantsexternes, le recours aux technologies intégrées est donc quasi obligatoire. Vous aurez besoin :

• de plusieurs AOP,

• de résistances, vous pouvez en trouver dans la bibliothèque PRIMLIB.

et d’un peu de persévérance ! il me faut dans votre rapport :

• une minidatasheet : broches d’accès, schéma interne, composants utilisés, la consomation,la bande passante, résistance d’entrée...

• une estimation de l’occupation sur silicium.

Pour cette dernière étape, vous pourrez lancer le logiciel Layout GXL puis faire ’Generateall from source’. Regardez bien les options de la fenêtre popup, puis après avoir fait OK, vouspouvez essayer de placer (voire router) les composants pour avoir une estimation de l’occupation.Lorsque vous en êtes là, vous voyez directement ce qu’il y a sur une puce CMOS !

https://www.youtube.com/watch?v=rfiMAziBU6Q

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