- J3eA, Journal sur l`enseignement des sciences et
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1. nieur EBP 1962 et ESE 1964 Fran ois Baillieu d bute sa carri re dans l industrie En 1967 il entre au Groupe ESIEE comme ing nieur responsable d tudes en charge de la recherche et du suivi p dagogique de projets sous contrat r alis s par les tudiants En 1975 professeur associ l origine de la Salle Blanche et du programme d enseignement correspondant il est nomm responsable du D partement Physique et Micro lectronique fonction qu il exercera jusqu en 1992 Visiting professor l Universit de Stanford il d veloppe et r alise des amplificateurs op rationnels NMOS Au retour des USA la demande du Minist re de l Industrie il r dige un rapport de synth se sur les activit s de la Silicon valley En 1986 nomm charg de mission pour l lectronique au Minist re de l Enseignement sup rieur et de la Recherche il contribue durant six ann es au lancement d actions institutionnelles concernant les capteurs et les microsyst mes Nomm Professeur du Groupe ESIEE en 1993 Directeur de la Recherche et de l Appui aux Entreprises de 1997 1999 il participe ensuite la cr ation du P le Francilien pour les Microsyst mes le PFM avec pour objectif de f d rer les activit s de R amp D de l ESIEE l IEF Universit Paris Sud l ENS Cachan du LURE en mati re de microsyst mes Il en sera le Pr sident de 1999 2001 Par ailleurs il exerce une activit de recherche et d enseignement dans le domaine des m2. pr c demment en vigueur ceci a eu pour cons quence une am lioration nette des r sultats aux contr les valid e sur une population tr s vari e d tudiants Ce didacticiel est en effet utilis l ESIEE au niveau ng nieur comme au niveau Technicien sup rieur dans le DESS de micro lectronique de l Universit Blaise Pascal l ISEM Il est exploitable de diverses fa ons e en substitution des transparents e en mise disposition des tudiants par Internet ou l Intranet local e pour la post assistance distance Par rapport aux outils issus de la Bureautique comme Power Point l apport de la plateforme Flash 5 consiste en e une qualit didactique des animations bien sup rieure e une excellente portabilit et un acc s rapide sur Internet pour m moire les fichiers ainsi accessibles sont des fichiers swf qui sont de simples ex cutables ne contenant aucune information sur la construction des sc narios inscrite dans les fichiers fla 4 Quelques l ments descriptifs Les figures 2 3 et 4 pr sentent quelques copies d image correspondant des tapes d animations illustrant bien mal leurs qualit s didactiques Les sc nes anim es permettent de faciliter la compr hension des ph nom nes Ainsi dans les animations illustr es par les figures 2 et 3 les notions de transfert de charges sont mises en valeur de mani re dynamique de telle fa on que l tudiant visualise ce qui se passe Tandis que dans
3. J3eA Vol 2 5 2003 DOI 10 1051 bib j3ea 2003005 Didacticiel multim dia lectronique des microsyst mes l apport de la technique des capacit s commut es F Baillieu et O Fran ais ESIEE Noisy le Grand Mis en ligne le 4 avril 2003 R sum Cet article pr sente un didacticiel d di l lectronique des microsyst mes dans le cadre de l utilisation des capacit s commut es et quelques l ments sur son mode d emploi Ce didacticiel est d velopp l aide du logiciel Flash 5 il propose l utilisateur des sc narios didactiques destin s rendre l apprentissage dynamique et attractif Le didacticiel est renforc par l utilisation d une maquette p dagogique qui permet d associer la th orie la pratique Plusieurs TP ont t d velopp s autour de cette maquette Ce didacticiel a d j eu un impact positif aupr s des tudiants qui s est traduit par de meilleurs r sultats aux examens Mots cl s didacticiel Flash microsyst mes capacit s commut es maquette p dagogique EDP Sciences 2003 Niveau de connaissances requis Composants lectronique des fonctions physique g n rale Niveau des tudiants Deuxi me cycle licence EEA GEI Bac 3 seconde ann e d IUT en G nie lectrique premi re ann e d cole d ing nieur La sp cificit du didacticiel permet d approfondir le sujet et devient pour certaines parties d un niveau Bac 5 cole d ing nieur DESS Ing
4. e mesure Une d monstration du didacticiel comme de la carte est pr vue au cours de la pr sentation R f rences bibliographiques 1 F Baillieu et Y Blanchard Signal analogique et capacit s commut es Dunod 1994 2 F Baillieu Y Blanchard P Loumeau H Petit et J Porte Capacit s commut es et applications Dunod 1996 2 F Baillieu et O Vancauwenberghe Chapitre 1 in Du composant l mentaire au syst me Mesure et Instrumentation 2 Herm s 2000
5. emier TP et les applique une cha ne d acquisition de mesures utilisant le principe du modulateur sigma delta Le modulateur reprend l int grateur capacit s commut es qui est utilis en rebouclage conditionnel l aide d un comparateur La premi re mesure consiste en la num risation d une humidit acquise par capteur capacitif La seconde consiste en la num risation d une tension issue d un pont diviseur incorporant un capteur de gaz r sistif S ance TP N 1 e horloges non recouvrantes e int grateur capacit s commut es S ance TP N 2 e cha ne d acquisition et de mesure base de modulateur Sigma Delta e mesure de capacit e mesure de tension La structure de la carte est pr sent e figure 5 On y retrouve le modulateur Sigma Delta qui s appuie sur un int grateur capacit s commut es ainsi qu une horloge non recouvrante utilisant un NE555 comme horloge de r f rence le temps de non recouvrement peut tre modifi par l utilisation de capacit externe Creg1 et Creg2 et un comparateur r alis avec une bascule 4013 sorgere f l serres T Fig 5 Vue de dessus du circuit imprim Carte modulateur Sigma Delta Certaines cartes ont t mises disposition des l ves qui ont ainsi pu de mani re autonome corr ler le didacticiel avec des mesures effectu es sur la carte Une p dagogie du type inductif a aussi t utilis e autour de cette carte pour laisser les l ves d couv
6. icro technologies tout particuli rement en lectronique des microsyst mes et contribue 31 publications et trois ouvrages partir de 1999 son int r t pour les Techniques de l Information et de la Communication appliqu es l Enseignement TICE conduit Fran ois Ba llieu substituer aux supports p dagogiques issus de la bureautique des supports plus int ractifs C est dans cette perspective qu il d veloppe sous Flash 5 le cours intitul lectronique des microsyst mes l apport de la technique des capacit s commut es maintenant propos en ligne En outre pour faciliter la mat rialisation d autres projets sur cette plateforme tr s prometteuse il souhaite mettre disposition des enseignants qui en feraient la demande des sc narios source incorporant des animations r utilisables et partager ainsi avec eux son exp rience Article available at http www j3ea org or http dx doi org 10 1051 bib j3ea 2003005 Fran ois Baillieu est Chevalier dans l ordre des Palmes Acad miques membre S nior de la SEE et Professeur Honoraire du Groupe ESIEE a e mail fbaillieu wanadoo fr auteur correspondant Olivier Fran ais est n Paris France en 1970 Il a obtenu l agr gation de G nie Electrique en 1993 puis un Doctorat de l Ecole Normale Sup rieure de Cachan en 1998 sur la mod lisation et r alisation d une micro pompe lectrostatique membrane Il a int gr le groupe ESIEE en 1998 au sein du laborat
7. l animation illustr e par la figure 4 c est le comportement de l amplificateur capacit s commut es qui est expliqu Pour se convaincre de l int r t de ces animations mieux vaut aller faire un tour l adresse www esiee fr ems L homologue hydraulique de l int grateur capacit s commut es capa com 1 C F 1 C V 0 C F 0 Fig 2 L analogie hydraulique de l int grateur Synth se d une r sistance l aide d une capacit et d un seul commutateur capa com 1 nT n 1 2 T e e ne Ve Vs pe Voici la plus simple structure Que g 4 quantit de charge transf r e de A capacit s commmut es pour B durant l intervalle de temps T qui vaut p pi sist fois la p riode de ihote T du syst me SY l tiser une r sistance capacit s commut es correspondant s exprime D PTS SL ed Qhi 6Va Vy 4 Va Ve TT R JP mierosyst mes Caphcit es commeut es f Capacit s commut es 2 composants Qi 1 P T GW Va P T Fig 3 Synth se d une r sistance en capacit s commut es L amplificateur capacit s commut es de base Comment liminer un commutateur Voici la solution capa com 1 D JnT n 1 2 T Qa C V mT Vs nT 0 pr charge et autoz ro V n microsystemes Capacitees commmulres Capacit s commufees 2 composants Fig 4 Amplificateur capacit s commut es Un chemin p dagogique pr cis tant propos l tudiant il peu
8. oire lectronique et Micro lectronique en tant qu enseignant chercheur Il a focalis ses activit s de recherche sur le domaine de la microfluidique et des micro capteurs MEMS en s appuyant sur les moyens en microtechnologie du Groupe ESIEE Salle Blanche Il d veloppe actuellement une activit en direction des Bio MEMS Il est actuellement responsable de programmes d enseignement sur les microsyst mes dans le cursus ing nieur du Groupe ESIEE e mail o francais esiee fr Groupe ESIEE Cit Descartes B P 99 F 93162 Noisy le Grand France 1 Objectifs de l utilisation du didacticiel Ce didacticiel s inscrit dans le cadre d une r flexion p dagogique globale qui requiert le d veloppement et l appropriation d outils modernes interactifs permettant de donner l tudiant un enseignement la fois th orique et pratique consistant et accessible avec plusieurs exemples d application Trois id es majeures sont la base de son organisation e dire pourquoi avant de dire comment e permettre des d marches p dagogiques vari es o se m lent des approches descendantes du syst me vers le composant et ascendantes du composant vers le syst me au moyen d un navigateur e r server les possibilit s d impression pour faciliter la pratique d un travail personnel sur papier l criture reste l outil privil gi de la concentration 2 Le didacticiel aujourd hui Ce didacticiel accessible en lecture seule l adres
9. rir au travers des TP les notions de capacit s commut es et ensuite aller chercher dans le didacticiel les formulations th oriques De plus cette carte peut tre enti rement pilot e par microcontr leur pour r aliser un m sosyst me intelligent adaptable la num risation des signaux issus de plusieurs sortes de cellules sensibles type capacitif r sistif r sistif polaris Cette commande intelligente permet alors d ajouter des fonctionnalit s la cha ne de mesure e autotest e changement de mode pour liminer les effets de l offset et de l injection de charge due aux interrupteurs e filtrage num rique plusieurs algorithmes peuvent tre programm s pour transformer le modulateur Sigma Delta en convertisseur Sigma Delta e mise en r seau de plusieurs cartes Au moins trois autres s ances de travaux pratiques sont n cessaires pour mettre en valeur toutes ces nouvelles fonctionnalit s C est alors une phase de traitement num rique des donn es qui peut tre exploit e via la programmation d un microcontr leur 6 Conclusion L utilisation d un didacticiel appliqu l lectronique des microsyst mes a permis d am liorer chez les tudiants la compr hension des principes physiques mis en jeu et la capacit d apprentissage en mode autonome En l associant une maquette p dagogique les l ves ont pu rester en contact avec la pratique et ainsi confronter en direct la th orie avec des relev s d
10. se www esiee fr ems est d velopp par notre quipe sous Flash 5 qui est un logiciel de la soci t Macromedia adapt la cr ation d animations accessibles par Internet les ex cutables tant de petite taille Le navigateur Fig 1 donne acc s quatre tables des mati res composants et circuit CMOS 1 capacit s commut es les bases capacit s commut es approfondies l lectronique des microsyst mes 2 3 Les capacit s commut es introduction temps continu les bases discret et analogie hydraulique Synth se de la r sistance et int grateur capacit s commut es int grateur capacit s commut es le circuit de base amplificateur capacit s commut es le circuit de base Horloges non recouvrantes et interrupteurs Comparateurs et chantillonn bloqueurs et es Fig 1 Navigateur avec un exemple de table des mati res Chaque table des mati res contient plusieurs chapitres dont il est possible de prendre rapidement connaissance en glissant la souris sur les boutons correspondants avant de proc der l ouverture de l un d entre eux en cliquant L ex cutable de chaque chapitre n exc de pas 100 Ko ce qui rend le temps d acc s par Internet tout fait acceptable e Dans chaque chapitre l utilisateur peut loisir naviguer dans les deux sens l int rieur d un sc nario l aide des boutons droite gauche en bas d image ou passer d un sc nario l au
11. t aborder progressivement les structures tudier En fonction de sa vitesse d apprentissage il peut ensuite choisir de fa on autonome les parties du cours qu il souhaite approfondir de mani re interactive 5 Travaux pratiques associ s Deux s ances de travaux pratiques ont t adjointes au didacticiel et s appuient sur la r alisation d un circuit imprim permettant de mettre en valeur les points abord s lors de l utilisation du didacticiel ce titre nous tenons remercier Laurent Bues et Georges Bussignies qui ont d velopp la carte sous Mentor Graphics Cette carte est constitu e d un modulateur Sigma Delta ZA du premier ordre capacit s commut es reconfigurable pour varier les modes de fonctionnement En outre cette carte peut tre pilot e par un micro contr leur L ensemble constitue alors un m sosyst me intelligent qui pr figure l architecture d un v ritable microsyst me Le d coupage en deux s ances de 4 heures est tel qu il permet une d couverte progressive d un modulateur XA Lors de la premi re s ance les tudiants d couvrent l int grateur capacit s commut es command par des horloges non recouvrantes Ils peuvent faire varier l ensemble des param tres afin d assimiler le concept de transfert de charge entre deux condensateurs Le principe de la synth se d une r sistance par des capacit s commut es est valid exp rimentalement La deuxi me s ance s appuie sur les r sultats du pr
12. tre selon un plan logique pr tabli l aide des boutons avant arri re tout instant il peut revenir la table des mati res du chapitre tudi et au navigateur Il dispose ainsi d un v ritable livre o toutes les figures sont des dessins anim s dont le d filement est contr l de fa on semi automatique e Les sc narios exploitent souvent les analogies hydrauliques et m caniques et les animations pour introduire simplement le principe d une fonctionnalit lectronique avant sa mat rialisation sous la forme d un sch ma lectrique e Les animations sont aussi particuli rement utiles pour mettre en vidence le mouvement des charges dans les circuits capacit s commut es et faciliter ainsi la compr hension de notions qui ne sont pas du tout famili res aux tudiants qui d butent l tude des syst mes analogiques temps discret citons titre d exemple o la formation d un syst me lectrostatique isol o la redistribution des charges l int rieur d un syst me lectrostatique isol o le traitement de l injection de charges par les horloges o l exploitation de la reconfigurabilit des circuits temps discret pour r duire l impact de certains d fauts tels que l offset le bruit etc sur les performances 3 Notre exp rience D s le d but de son d veloppement il y a quatre ans le didacticiel a t mis la disposition des tudiants Par rapport une approche plus classique
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