sujet partie 1
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1. d formation des deux transducteurs se font n cessairement dans les sens oppos s Le mod le du nouveau dispositif appel MEMS_ accelerometer vous est fourni avec des com mentaires abondants L acc l ration externe est mod lis e par la force apparente qu elle g n re sur la masse m Aert A faire En compl tant le fichier de netlist test mechanique cir mod lisez le r sonateur soumis une acc l ration externe constante de 1g Les terminaux lectriques sont connect s la masse on ne s int resse qu la partie m canique Observer le processus transitoire Quelle est la position asymptotique de la masse mobile Quelle sont les valeurs correspondantes des capacit s A faire Calculez le facteur de transduction intrins que du dispositif MEMS Cplus ak Crins 1 Aert l Le r le de l lectronique sera de mesurer cette diff rence de capacit s 3 Mesure de la capacit Dans cette partie on va mettre en oeuvre un circuit de mesure de la capacit diff rentielle On testera deux architectures l une utilisant la technique de d tection synchrone et l autre utilisant la technique des capacit s commut es 3 1 Mesure par d tection synchrone Pour mesurer la capacit on va monter le circuit donn fig 3 Les param tres de ce circuit sont les suivants La fr quence des signaux vaut 100 kHz La fr quence de coupure du filtre est de 1kHz L amplitude des tesions vp et vm sont de 12. la capacit de droite Coins diminue Cette variation diff rentielle peut tre mesur e par des circuits lectroniques appropri s Les dimensions des capacit s sont donn es fig 1 Nous vous proposons les valeurs suivantes d 4 um d1 10 um 1 100 um e 4 um N 150 Il faut galement savoir il y a deux paires ainsi la valeur de chaque capacit donn sur la fig 1 est multipli e par deux A faire Calculez la valeur des deux capacit s variables au repos Donnez les valeurs des capacit s pour d placement 1 2 et 3 um A faire En supposant que le d placement maximal de la masse mobile est de 3 um 3 4 du gap donnez la valeur maximale de l acc l ration qu un tel syst me est capable de mesurer 2 3 Test de comportement m canique Dans cette partie on d finira la netlist du mod le de capteur lectrom canique en utilisant le mod le VHDL AMS d un r sonateur assorti d un transducteur unique que nous avons tudi en TP1 Dans le nouveau syst me il y a deux transducteurs et non plus un Ces transducteurs g n rent deux forces oppos es la masse mobile Le sch ma quivalent lectrique du syst me est donn fig 2 Notez que les sources de forces sont branch es t te b che pour repr senter d une part l action Mechanical Electrical common Mechanical common node Cminus FIGURE 2 oppos e des forces g n r es par les transducteur d autre part le fait que les
3. UE MEMS LP Dimensionnement d un capteur d acc leration et de son circuit de mesure Dimitri Galayko 1 Introduction Ce TP repr sente la premi re partie du travail de conception d un syst me complet permettant de mesurer l acc l ration Ce syst me est compos des parties suivantes Le capteur m canique compos de r sonateur et de transducteurs lectrostatiques associ s Le circuit d interface permettant de mesurer la valeur de la capacit du transducteur qui repr sente le d placement instantan de la masse mobile Le circuit de conversion asservissement permettant de num riser le signal et d am liorer les performances intrins ques du capteur lectrom canique Dans cette partie nous allons concevoir et tester les deux premiers blocs de cette architecture La g om trie du dispositif m canique est inspir e de l article 1 Cet article vous est distribu vous tes invit s le lire 2 Dimensionnement du capteur 2 1 Dimensionnement du r sonateur Le r sonateur est compos d une masse mobile et des ressorts de suspension D apr s la table 1 de l article 1 la masse mobile peut tre vue comme une brique 120 um de hauteur et 3 mm x 5 mm de surface Etant donn la densit volumique du silicium de 2300 kg m nous obtenons pour la masse la valeur de m 4 14e 6 kg La masse joue un tr s grand r le dans la mesure de l acc l ration dans la mesure o l a
4. V Vous d crirez la netlist du circuit en compl tant le fichier accelerometer detection synchrone cir A faire Calculez la formule donnant le rapport entre l acc l ration et la tension de sortie Validez par mod lisation avec une acc leration d entr e d amplitude de 1 g sinuso dale de fr quence 100 Hz bandpass filter 1 H Vm s E Cminus Vplus FIGURE 3 Sch ma de principe du circuit mesurant une capacit diff rentielle par d tection syn chrone A faire Que se passe t il si le noeud d entr e non inverseuse de l amplificateur common poss de une capacit parasite ou une r sistance reliant ce noeud la masse Mod lisez en ajoutant entre cette entr e et la masse une r sistance Rin 1 MOhms 3 2 Mesure par technique de capacit commut Maintenant on tudie le circuit donn fig 4 Les switches commutent fr quence 50 kHz la valeur des tensions vp et vm sont continue et valent 1 et et 1 V Le nouveau syst me est mod lis dans le fichier accelerometer_capacom cir Les switches com mand s sont r alis par des mod les macroscopiques d Eldo voltage controlled switch Pour les d tails interfaces param tre vous tes invit s consulter le manuel d utilisateur d Eldo qui se trouve dans l arborescence des outils de mentor Mentor Vous donnerez une valeur de 10 p la capacit C_measure A faire Calculez la formule donnant le rapport entre l acc l ratio
5. ar est le compl ment num rique de l horloge clk L tat haut de clk bar met les switches dans les positions oppos es celles donn es sur le sch ma
6. cc l ration ne se manifeste qu travers la force inertielle qui est proportionnelle la masse mM a Pour cette raison la masse d acc l rom tre est toujours relativement grande La g om trie de la partie mobile est dimensionn e de sorte avoir un r sonateur facteur de qualit de 0 3 Un facteur de qualit aussi faible permet d avoir un syst me de type filtre passe bas La fr quence de coupure cibl est de 500 Hz A faire Calculez la valeur de la raideur du ressort k permettant d obtenir cette fr quence de coupure et ce facteur de qualit Une fois la constante de raideur calcul e on peut dimensionner les ressort On se base sur la fig 2 de l article 1 On voit que le ressort est r alis partir de 4 poutres fonctionnant en mode guid e cf la table pr sent e en cours 2 A faire Sachant que la hauteur des ressorts est fix 120 um trouvez le rapport de forme des deux autres dimensions du ressort Stator Cplus Stator Cminus KL ne Mobile mass FIGURE 1 G om trie des capacit s variables 2 2 Dimensionnement des capacit s variables D apr s le dessin de la fig 2 il y a deux paires identiques de capacit s variables une en haut et une en bas du dessin Une vue largie d une de ses paires est donn fig 1 On voit que lorsque la masse mobile se d place vers la gauche dans le sens conventionnel positif la capacit de gauche Cyrus augmente
7. n et la tension de sortie Validez par mod lisation avec aert 1 4g A faire Quelle acc l ration provoque un d placement de 3 um Appliquez cette acc l ration et observez le ph nom ne de pull in A faire Comment faut il modifier le circuit les param tres pour viter le pull in et ainsi pour mesurer des acc l rations provoquant un d placement jusqu 3 um A faire Ajouter au circuit un dispositif chantillonneur bloqueur chantillonn d une mani re appropri e pour cela vous devrez g n rer une horloge part A faire Appliquez une acc l ration sinusoidale d amplitude 0 2g et de fr quences 100 300 400 600 900 Hz Dessinez la fonction coefficient de transfert global tension en sortie amplitude d acc l ration en ent e en fonction de la fr quence de l acc l ration en entr e et concluez sur le fonctionnement de l acc l rateur hautes fr quences 4 Bibliographie 1 B V Amini R Abdoulvand F Ayazi A 4 5 mW closed loop XA micro gravity CMOS SOI accelerometer IEEE journal of solid state circuits vol 41 no 12 december 2006 Yp SW3 SWI C_measure outl k clk_bar cl NME Cminus VcIk Vclk_bar V Vm o Vminus FIGURE 4 Circuit permettant d effectuer une mesure d une capacit diff rentielle par la technique des capacit s commut es Les positions des switches pr sent sur le sch ma correspondent la phase 1 tat haut de l horloge clk L horloge clk b
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