CHAPITRE II Etats de l’art, choix du démonstrateur
II.2. Des accéléromètres MEMS au domaine nanométrique
II.2.1. Etat de l’art des accéléromètres MEMS
Les accéléromètres sont utilisés pour les mesures d’accélération, les vibrations… Les
applications sont nombreuses : mesures sismiques, mesures de chocs, comportement de
machine, de véhicules, stabilisation, correction de trajectoire, protection des disques durs, etc.
Dans le cadre de la thèse, nous nous intéressons aux applications grand public. Ces
applications visent donc des domaines de la vie courante : airbag, console de jeu, disque dur,
téléphone portable, etc. Les gammes d’accélération sont généralement de quelques g.
Cheng-Hsien Liu et al. comparent avec la figure 11 les performances de différents
accéléromètres MEMS suivant leur mode de détection, [LIU-2001].
figure 11 : Performances des accéléromètres MEMS [LIU-2001].
Sur cette figure, il y a deux types d’accéléromètres MEMS. Les accéléromètres résonants et
les accéléromètres non résonants. Les accéléromètres non résonants sont définis par leur mode
de détection. L’objectif de cet état de l’art est de permettre d’avoir une tendance sur
l’utilisation des différents types d’accéléromètres et leur gamme d’accélération. Avec l’étude
suivante sur la réduction d’échelle, nous pourrons ainsi avoir une première idée des gammes
possibles pour les NEMS.
Les accéléromètres basés sur une détection par résonance, comme l’exemple de la figure 12,
sont constitués par un élément vibrant, excité à sa fréquence propre, couplé à une masse
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modifiant ainsi sa fréquence de résonance. La mesure de la variation de la fréquence permet
de remonter à l’accélération.
figure 12 : Schéma d’un accéléromètre résonant. [SES-2002]
L’avantage de ce type de dispositif MEMS est sa haute résolution. La résolution de
l’accéléromètre de la figure 12 est de 0,7 mg à 300 Hz, [SES-2002]. L’inconvénient est une
bande passante restreinte.
Les accéléromètres non résonants sont essentiellement basés sur la mesure du déplacement de
la masse inertielle ou des contraintes générées dans les bras de suspension lorsque
l’accéléromètre subit une accélération extérieure. La détection du mouvement ou des
contraintes utilise différents principes physiques.
Les principes physiques appliqués aux accéléromètres sont les suivants :
• Piézoélectrique. Les matériaux piézoélectriques se déforment sous l’action d’une
tension, et inversement sous l’action d’une contrainte leurs caractéristiques électriques
varient. L’excitation se fait en appliquant une différence de potentiel aux bornes du
matériau. La détection se fait par la mesure de la différence de potentiel aux bornes du
matériau lorsque celui-ci est en mouvement et déforme les bras de suspension.
- Les avantages de ces structures sont leur utilisation à haute température, leur
large gamme d’échelle de mesure, et leur faible encombrement.
- Les inconvénients sont liés à l’utilisation d’un matériau piézoélectrique
différent de celui de la structure.
• Piézorésistive. Les structures les plus simples sont constituées d’une masse mobile
suspendue par des bras de flexion ou de torsion. Sous l’action d’une accélération, la
masse mobile se déplace, induisant des contraintes dans les bras de suspension. Des
éléments piézorésistifs sont placés sur les bras de suspension au niveau des maxima de
contraintes.
- Les avantages de ces dispositifs sont la simplicité de leur structure, la facilité
du procédé de fabrication et la taille de leur circuit électronique, qui nécessite
juste un montage en pont et une linéarisation.
- Les inconvénients sont leur sensibilité à la température.
• Optique. La détection se fait avec un système optique permettant de visualiser les
vibrations. La limitation de cette méthode est liée à la limite de diffraction et à
l’encombrement du système optique.
• Magnétique. Ce principe repose sur la force de Laplace. Un courant électrique
alternatif circulant dans une structure placée dans un champ magnétique constant crée
une force qui met en mouvement la structure. De la même manière, la structure
conductrice en mouvement dans un champ magnétique constant génère un courant
induit qui peut servir à la détection.
• Capacitif. Cette technique d’excitation et de détection nécessite deux électrodes à
proximité dont l’une est solidaire de la structure. Ces électrodes permettent, soit de
créer une force électrostatique en appliquant une différence de potentiel entre les deux
électrodes, soit d’utiliser une capacité variant en fonction du déplacement. Il existe
deux types d’électrodes constituant la capacité variable. Pour des déplacements hors
plan, la capacité est généralement constituée de deux armatures planes et parallèles,
l’une placée sous la masse et l’autre sur le support de silicium. Pour les déplacements
de la masse dans le plan, la capacité est généralement constituée de deux peignes
d’électrodes inter-digités, avec un peigne solidaire de la masse mobile et le deuxième
peigne solidaire du support fixe. Dans le cas d’accéléromètre résonant, l’électrode est
solidaire du résonateur. La variation de capacité est mesurée par le circuit électronique
et permet de remonter à l’accélération. Même dans le cas d’un signal non linéaire, un
asservissement permet de convertir le signal de sortie en signal linéaire.
- Les avantages de ces dispositifs sont leur simplicité de fabrication, l’absence
de matériaux exotiques, leur grande résolution, leur bonne performance en
bruit et en dérive.
- Les inconvénients sont leur sensibilité aux interférences électrostatiques et leur
forte impédance électrique.
• Effet tunnel. Cette détection est basée sur le principe du courant tunnel. Lorsqu’une
pointe est placée à proximité d’une électrode, en appliquant une différence de
potentiel, il existe un courant de fuite appelé courant tunnel. Le courant tunnel suit une
loi exponentielle en fonction de la distance pointe/électrode. La masse inertielle des
accéléromètres à effet tunnel est asservie en fonction de ce courant de façon à garder
la distance pointe/électrode constante, la masse inertielle étant solidaire de la pointe ou
de l’électrode. Les caractéristiques des accéléromètres sont variables suivant les
dimensions et le circuit d’asservissement, mais de manière générale, ces derniers ont
une résolution de déplacement de 10
-2Å/√Hz. Les avantages et les inconvénients de ce
type d’accéléromètre MEMS sont les suivants :
- En 1998, C-H. Liu et al. montrent que ce type d’accéléromètre permet des
tailles plus petites et des masses plus faibles. [LIU-1998]. En effet, L’avantage
principal de ce type d’accéléromètre MEMS est sa détection tunnel, qui permet
d’obtenir des dispositifs très sensibles avec une très bonne résolution du fait de
la relation exponentielle entre le déplacement et le signal électrique.
- En 1998, S. Vatannia et al. mettent en évidence l’inconvénient de la faible
distance de quelques angströms qui empêche des forts déplacements de la
structure mobile [VAT-1998]. Les autres inconvénients sont l’utilisation d’une
boucle de contrôle avec un actionnement électrostatique impliquant un certain
encombrement et la forte densité de bruit à basse fréquence (bande passante
inférieure à 1 kHz).
Le Tableau 3 résume les avantages et inconvénients des différents modes de détection pour
les accéléromètres.
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Tableau 3 : Récapitulatif des avantages et inconvénients des modes de détection.
Détection Avantages Inconvénients
Piézoélectrique
Utilisable à haute température,
Large échelle de mesure, Faible encombrement
Incompatibilité du matériau avec les lignes de production en Front End16 traitant les substrats SOI minces.
Compatibilité de l’AlN17 avec un environnement salle blanche de semi conducteur, plus
spécifiquement pour les étapes dites de « Back End of line ». Piézorésistive Facilité de fabrication, Grand coefficient piézorésistif du silicium Sensibilité à la température Optique Non dégradation du résonateur
Immunité contre les interférences électromagnétiques
Taille supérieure à la limite de diffraction
Magnétique
Avantager par la réduction d’échelle et l’augmentation des fréquences
Champ magnétique important lors de la réduction d’échelle.
Capacitive Simplicité de fabrication Valeur du signal lors de la réduction d’échelle