System design of a low-power three-axis underdamped MEMS accelerometer with simultaneous electrostatic damping control

Ciotîrcă Lavinia 1
1 LAAS-OSE - Équipe Optoélectronique pour les Systèmes Embarqués
LAAS - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes [Toulouse]
Résumé : L’intégration de plusieurs capteurs inertiels au sein d’un même dispositif de type MEMS afin de pouvoir estimer plusieurs degrés de liberté devient un enjeu important pour le marché de l’électronique grand public à cause de l’augmentation et de la popularité croissante des applications embarquées. Aujourd’hui, les efforts d'intégration se concentrent autour de la réduction de la taille, du coût et de la puissance consommée. Dans ce contexte, la co-intégration d’un accéléromètre troisaxes avec un gyromètre trois-axes est cohérente avec la quête conjointe de ces trois objectifs. Toutefois, cette co-intégration doit s’opérer dans une même cavité basse pression afin de préserver un facteur de qualité élevé nécessaire au bon fonctionnement du gyromètre. Dans cette optique, un nouveau système de contrôle, qui utilise le principe de l’amortissement électrostatique, a été conçu pour permettre l’utilisation d’un accéléromètre sous-amorti naturellement. Le principe utilisé pour contrôler l’accéléromètre est d’appliquer dans la contre-réaction une force électrostatique générée à partir de l’estimation de la vitesse du MEMS. Cette technique permet d’augmenter le facteur d’amortissement et de diminuer le temps d’établissement de l’accéléromètre. L’architecture proposée met en oeuvre une méthode novatrice pour détecter et contrôler le mouvement d’un accéléromètre capacitif en technologie MEMS selon trois degrés de liberté : x, y et z. L'accélération externe appliquée au capteur peut être lue en utilisant la variation de capacité qui apparaît lorsque la masse se déplace. Lors de la phase de mesure, quand une tension est appliquée sur les électrodes du MEMS, une variation de charge est appliquée à l’entrée de l’amplificateur de charge (Charge-to-Voltage : C2V). La particularité de cette architecture est que le C2V est partagé entre les trois axes, ce qui permet une réduction de surface et de puissance consommée. Cependant, étant donné que le circuit ainsi que l’électrode mobile (commune aux trois axes du MEMS) sont partagés, on ne peut mesurer qu’un seul axe à la fois. Ainsi, pendant la phase d'amortissement, une tension de commande, calculée pendant les phases de mesure précédentes, est appliquée sur les électrodes d'excitation du MEMS. Cette tension de commande représente la différence entre deux échantillons successifs de la tension de sortie du C2V et elle est mémorisée et appliquée trois fois sur les électrodes d’excitation pendant la même période d’échantillonnage. Afin d’étudier la faisabilité de cette technique, des modèles mathématiques, Matlab- Simulink et VerilogA ont été développés. Le principe de fonctionnement basé sur l’amortissement électrostatique simultané a été validé grâce à ces modèles. Deux approches consécutives ont été considérées pour valider expérimentalement cette nouvelle technique : dans un premier temps l’implémentation du circuit en éléments discrets associé à un accéléromètre sous vide est présentée. En perspective, un accéléromètre sera intégré dans la même cavité qu’un gyromètre, les capteurs étant instrumentés à l’aide de circuits CMOS intégrés. Dans cette cadre, la conception en technologie CMOS 0.18μm de l’interface analogique d’amortissement est présentée et validée par simulation dans le manuscrit.
Type de document :
Thèse
Micro and nanotechnologies/Microelectronics. INP Toulouse, 2017. English
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https://hal.laas.fr/tel-01561758
Contributeur : Lavinia Ciotirca <>
Soumis le : jeudi 13 juillet 2017 - 11:52:10
Dernière modification le : mercredi 28 février 2018 - 10:58:32
Document(s) archivé(s) le : jeudi 25 janvier 2018 - 01:00:38

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  • HAL Id : tel-01561758, version 1

Citation

Ciotîrcă Lavinia. System design of a low-power three-axis underdamped MEMS accelerometer with simultaneous electrostatic damping control . Micro and nanotechnologies/Microelectronics. INP Toulouse, 2017. English. 〈tel-01561758〉

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