Capteurs)iner,els)à)base)de)MEMS)

Dimitri)Galayko)

1)

Sommaire)

•  Principe)de)fonc,onnement)des)capteurs)iner,els)

•  Composantes)des)capteurs)iner,els:)– Résonateurs))– Transducteurs))–  Interfaces)électriques)

•  Présenta,on)du)miniDprojet)«)concep,on)d’accéléromètre)»)

2)

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))

3)

Principe)de)capteur)iner,el))

•  Une)masse):)une)source)de)la)force)d’entrée)

•  Capteur)de)gravita,on:)F=mg#•  Capteur)d’accéléra,on):)F=Dma##•  Les#capteurs#iner/els#mesurent#la#force#F#

m)

F#

a#x)

4)

Principe)de)capteur)iner,el)•  Comment)mesurer)une)force)?))– L’associer)à)un)ressort)– Mesurer)la)déforma,on)du)ressort)(principe)d’une)balance)))

m)

x)

m)

F# k)

k)

x) 0)

x=F/k)

5)

Principe)de)capteur)iner,el)•  EstDce)un)résonateur)?)

)•  Oui)!)Sachant)que)))))))))))))))))))))),)on)a)x=aext/ω0

2)

•  Plus)ω0)est)grand,)plus)x)est)pe4t)

m)

x)

m)

F# k)

k)

x) 0)

x=F/k=maext/k)

ω0 = k /m

6)

Principe)de)capteur)iner,el)

•  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:)

•  Pour)l’accéléra,on:))

•  f0=23.7)kHz,)m=2.2eD10)kg,)Q=5:)) ) ))an,rms=4.8eD3)m/s2)ou)0.5mg/Hz1/2)

Fn = 4kbTµ

an,rms =4kbTω0

mQ

7)

Principe)du)capteur)iner,el)

•  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)))

•  Dans)le)domaine)de)Laplace:)))

−kx − µ x + F = mx, où F = −maext ou F = mg

x(p)F(p)

= 1k + µp +mp2 ,

8)

Principe)du)capteur)iner,el)•  Schéma)en)boucle)ouverte):)

•  Schéma)en)boucle)fermée):)))

Masse+ressort)(résonateur))

Force))d’entrée) Déplacement) X)

C)Capacité) C)

U)Tension)

Masse+ressort)(résonateur))

Erreur)de))trainage)

X)C)

Capacité) C)U)+)

F)U)

Force))d’entrée)

Force)de)contreDréac,on)

Depl.) Correcteur)(PI,)PID…))

Out)

D)

9)

Principe)du)capteur)iner,el)•  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)

Mesure)de)la)posi,on)

•  Choix)du)transducteur)capaci,f):)c(x))est)linéaire/nonDlinéaire)

•  Choix)de)la)mesure)différen,elle/unipolaire))

11)

Mesure)de)la)posi,on)

•  Choix)de)la)mesure)différen,elle/unipolaire))

•  Technique)de)la)mesure)de)la)capacité)?))12)

Mesure)de)la)posi,on)

•  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)

•  Mesure)de)capacité)«)unipolaire)»):)amplificateur)de)transimpédance))

•  Ici,)Vs)est)AC,)on)mesure)la)posi,on)!))•  À)quoi)sert)la)résistance)RF)?))

14)

Mesure)de)la)posi,on)•  Mesure)de)capacité)«)unipolaire)»):)capacités)commutées))

•  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)»):)détec,on)synchrone)

•  L’avantage):)récupéra,on)du)signal))à)basse)fréquence,)très)fiable))

•  L’inconvénient):)nécessite)un)filtre)analogique)16)

Mesure)de)la)posi,on)•  Mesure)de)capacité)«)différen,elle)»):)principe))

Sensors 2013, 13 5725

another output node. With this strategy and external swapped wirings, a full sensing bridge can be constructed, as described in the following paragraphs. Figure 3(b) shows the cross-sectional view of the combined layers for the mechanical connection of proof mass pieces (2) and (3). The gap between the two diagonal pieces and the whole large piece are used for mechanical connection and electrical isolation [14].

The inset in Figure 3(a) shows the connection of individual comb finger pairs. Connections of two pairs of the sensing comb drives are illustrated. The two types of stator electrodes that are both anchored to the substrate are electrically isolated from each other. The same type of stator electrodes are electrically connected differently for differential sensing. As shown in the figure, while the two lower stator electrodes in both pairs are directly connected using the nickel metal, the two upper stator electrodes are electrically connected using the doped polysilicon layer underneath the structure material. While the polysilicon layer is isolated from the lower electrodes, it is connected to the upper electrodes in the anchor pads.

Figure 4. Electrical equivalent circuit for the common-centroid configuration of the sensing capacitors.

Figure 5. Simplified equivalent circuit of the sensor.

C4

C3

C2

C1

mV �

outV �outV �

mV �

C4b

C3b

C2a

C1bC1a

C2b

C3a

C4a

mV �

mV �

outV �outV �

Mesure)différen,elle)–)sor,e)unipolaire)

Mesure)différen,elle)–)sor,e)différen,elle)17)

Mesure)de)posi,on))•  Mesure)différen,elle))–)sor,e)unipolaire)

•  Mesure)différen,elle))–)sor,e)différen,elle)

37

Figure 3.1: Schematic diagram of a reported capacitive microaccelerometer.

Figure 3.2: Schematic diagram of a fully-differential capacitive microaccelerometer.

At the sensor-IC interface, a switching architecture is devised such that the charge

amplifier can interface with “four” changing capacitances having one common node at

the proof mass (two increasing and two decreasing). The proof mass is tied to a DC

voltage at all times and is never switched, which reduces the switching noise. The

micro-gravity SOI accelerometer is fabricated through the backside dry-release

process introduced in Section 2.3. The SOI accelerometer is wirebonded to the

interface IC and characteristic results are obtained.

37

Figure 3.1: Schematic diagram of a reported capacitive microaccelerometer.

Figure 3.2: Schematic diagram of a fully-differential capacitive microaccelerometer.

At the sensor-IC interface, a switching architecture is devised such that the charge

amplifier can interface with “four” changing capacitances having one common node at

the proof mass (two increasing and two decreasing). The proof mass is tied to a DC

voltage at all times and is never switched, which reduces the switching noise. The

micro-gravity SOI accelerometer is fabricated through the backside dry-release

process introduced in Section 2.3. The SOI accelerometer is wirebonded to the

interface IC and characteristic results are obtained.

18)

Mesure)de)la)posi,on)•  Exemple)d’un)circuit)complet)pour)une)configura,on)différen,elle)(PhD)de)A.)Babak))

40

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-

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

version of the non-overlapping clocks. There are two clock phases, φ1 & φ2, involved

in the circuit. In the sampling phase (φ1=high, φ2=low), CS1,2 and CR1,2 are charged

with 0.5VDD and amplification capacitors (CA1,2) are discharged to zero (Figure 3.6).

Figure 3.6: Equivalent circuit of the SC charge amplifier in the sampling phase.

19)

Mesure)de)la)posi,on:)conclusion))

•  Mesure)différen,elle)offre)davantage)de)souplesse)pour)réaliser)les)circuits)électroniques)

•  Les)capacités)commutées)ou)une)détec,on)synchrone)sont)des)techniques)u,lisées)pour)mesurer)une)capacité)

20)

Fonc,onnement)en)boucle)fermée)

•  L’avantage)?)Le)transducteur)reçoit)uniquement)l’erreur)de)trainage,)1D2)ordres)de)grandeur)plus)faible)que)la)force)d’entrée):)– NonDlinéarité)!))– Rapidité)(bande)passante)élargie))!))

Masse+ressort)(résonateur))

Erreur)de))trainage)

X)C)

Capacité) C)U)+)

F)U)

Force))d’entrée)

Force)de)contreDréac,on)

Depl.) Correcteur)(PI,)PID…))

Out)

D)

21)

Fonc,onnement)en)boucle)fermée)

•  ContreDréac,on)un)ac,onnement)capaci,f)!)

114

6.2 PRINCIPLE OF OPERATION

The Functional block diagram of a closed-loop capacitive microaccelerometer system

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

(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.

Figure 6.2: Schematic diagram of a capacitive microaccelerometer with parallel-plate

sense CS and comb-drive CC feedback electrodes.

Cs):)sensing)capacitors)CC)CP):)feedback)actuators)

)gap)closing)and)area))overlap)

22)

Fonc,onnement)en)boucle)fermée)

•  L’objec,f):)maintenir)le)transducteur)près)de)la)posi,on)d’équilibre)

•  Architecture)SigmaDDelta)!))

Page 9Lemkin, et. al.: A 3-Axis Surface Micromachined ΣΔ Accelerometer - To Appear at ISSCC 1997, Session 12.4

xV

FV

Hc(z)

Compensator

ElectrostaticForce Transducer

ComparatorPosition

Σ+-

Fext Digital

and LatchPreamp

Figure 2: System diagram with forward path lead compensator

SenseSense

Element

Out

23)

Fonc,onnement)en)boucle)fermée)

•  Pourquoi)sigmaDdelta)?)•  La)force)de)retour)est)quadra,que)en)fonc.)de)U)•  Donc,)difficile)à)réaliser)quand)le)système)est)analogique)) ) ) ) ) ) ) ) )SigmaDDelta:)le)retour)est)) ) ) ) ) ) ) ) )«)bangDbang)»,)+1)ou)D1)) ) ) ) ) ) ) ) )En)plus,)une)conversion))) ) ) ) ) ) ) ) )analogiqueDnumérique)!))

)

114

6.2 PRINCIPLE OF OPERATION

The Functional block diagram of a closed-loop capacitive microaccelerometer system

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

(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.

Figure 6.2: Schematic diagram of a capacitive microaccelerometer with parallel-plate

sense CS and comb-drive CC feedback electrodes.

24)

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))

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25)