III. L’ELECTRONIQUE
III.2. Système
III.2.2. L’excitation du capteur
Une solution simple pour qu’un cantilever soit actionné à la résonance est de faire un auto oscillateur. Le fort coefficient de qualité des structures mécaniques est exploité. Cette solution a déjà été étudiée pour le test du cantilever U-shape et l’étude de sa fiabilité dans les thèses [1] et [2]. Un dérivateur est utilisé pour obtenir le déphasage nécessaire aux conditions de mise en oscillation de Barkhausen qui sont :
(éq. 61) ΠGain≥1
(éq. 62)
ΣPhase=0 Π[2
]
Ces conditions sont atteintes seulement si le cantilever est en résonance. En effet, le gain du capteur (sensibilité) est maximal. Concernant la phase, le dérivateur apporte un déphasage de -90°. Le déphasage du capteur doit alors être égal à +90°. Cette condition n’est atteinte à la résonance que pour un sens du vecteur d’induction magnétique. Dans l’autre sens, un élément doit être ajouté dans la boucle de contre réaction pour apporter un déphasage de 180°.
Capteur Dérivateur Ampli. Vout B : induction magnétique Uf: tension d’excitation Capteur Dérivateur Ampli. Vout B : induction magnétique Capteur Dérivateur Ampli. Vout B : induction magnétique Uf: tension d’excitation
Figure III-2 Schéma du capteur de champ magnétique en auto oscillateur
L’inconvénient majeur de cette solution est que la mise en oscillation à la résonance n’est atteinte que pour une forte valeur du champ magnétique. Pour un faible champ magnétique le signal est trop bruité. En pratique, il a été observé que l’induction magnétique doit être au moins supérieure à 1 milli Tesla. L’induction magnétique terrestre étant d’environ 20 µT, il faudrait polariser le capteur avec un champ magnétique constant. Cependant ce n’est pas une solution faible coût. En conclusion, la solution auto oscillateur n’est pas envisageable pour la micro boussole.
III.2.2.2. Les PLL
Les circuits à asservissement de phase (PLL : « Phase Lock Loop ») peuvent être utilisés pour faire résonner un structure mécanique [3]. La Figure III-3 est le schéma du capteur asservi par
une PLL analogique. L’objectif du circuit est d’annuler l’erreur de phase entre le signal d’excitation et le signal de sortie du capteur. Celle-ci est mesurée par un comparateur de phase. Si les deux signaux sont en quadrature, le capteur est en résonance et l’erreur de phase mesurée est nulle. Un filtre passe bas (ou un intégrateur) agit comme un correcteur dans la boucle de contre réaction et fixe la fréquence de l’oscillateur contrôlé en tension (VCO : « Voltage Controlled Oscillator ») qui délivre le signal d’excitation.
Capteur Ampli. Comparateur
de phase
Filtre
passe bas VCO
B : induction
magnétique Vout
Uf: tension d’excitation
Capteur Ampli. Comparateur
de phase
Filtre
passe bas VCO
B : induction
magnétique Vout
Uf: tension d’excitation
Figure III-3 Schéma du capteur de champ magnétique asservi par un circuit à PLL analogique
L’inconvénient de cette solution est la difficulté de mesurer la phase du signal bruité du capteur. Lorsque la PLL n’est pas verrouillée, l’amplitude du signal du capteur est très faible puisque le cantilever n’est pas en résonance. Il en résulte que, si le champ magnétique est trop faible, le bruit sur l’erreur de phase est beaucoup plus grand que l’erreur de phase. Ainsi, la PLL ne se verrouille pas ou alors le temps de verrouillage est très long.
Comme pour les circuits auto oscillateurs, le circuit PLL ne peut pas assurer un fonctionnement du capteur à la résonance si le champ magnétique est faible. Cette solution n’a donc pas été retenue.
III.2.2.3. La solution boucle ouverte
Une solution alternative aux structures en boucle fermée (auto oscillateur et PLL) est de faire fonctionner le capteur en boucle ouverte après avoir étalonné le circuit d’excitation pour qu’il délivre un signal à la fréquence de résonance du cantilever.
Un des inconvénients de cette solution est la nécessité de mémoriser la valeur d’étalonnage. Cependant, dans le cas de la réalisation d’une boussole, il est de toute façon souhaitable de disposer d’une mémoire pour les coefficients de correction (cf. § I.3.). Un autre inconvénient de cette solution est d’être sensible aux variations de la fréquence de résonance. Toutefois, en
fonction de la température. La variation est d’environ 70 Hz entre 0 °C et 60 °C [2], ce qui représente environ 1/3 de la bande passante du cantilever (≈ 200 Hz). De plus, aucune variation liée au vieillissement n’a été constatée sur les essais pratiqués. L’étalonnage peut donc être réalisé une seule fois par le fabriquant. Cependant pour des raisons de robustesse et de performance, le circuit d’excitation doit pouvoir être ré-étalonné périodiquement (par exemple, à chaque mise sous tension ou à intervalles de temps réguliers).
Dans un cas général, plusieurs forces peuvent être utilisées pour trouver la fréquence de résonance :
• La force d’accélération est trop coûteuse pour un étalonnage en usine et n’est pas utilisable pour un étalonnage périodique.
• La force électrostatique est facile à générer électriquement mais n’est pas utilisable en technologie FSBM (à cause des tailles de cavités).
• La force magnétique est évidemment applicable au capteur U-Shape. Cependant, il n’est pas possible de générer sur puce un champ magnétique suffisamment fort pour actionner le cantilever (principalement à cause des tailles de cavités du procédé FSBM). Il faut alors disposer d’une source externe pendant l’étalonnage.
Dans le cas d’un étalonnage en usine, il n’est pas évident d’appliquer un champ magnétique d’intensité assez forte et contrôlé à un lot de capteur. Chaque capteur doit alors être étalonné individuellement en approchant une source de champ magnétique assez forte pour ne pas être perturbé par des champs magnétiques externes (champ magnétique terrestre etc…).
Dans le cas d’un étalonnage périodique, il n’est pas possible d’imaginer la présence d’une source de champ magnétique externe autre que le champ magnétique terrestre. L’orientation du capteur n’étant pas connue, cette méthode n’est pas applicable. • La force électrothermique possède l’avantage de pouvoir être générée sur puce
électriquement. De plus elle dépend très peu des conditions externes. Nous avons montré dans le chapitre II qu’elle est applicable au cantilever U-Shape, grâce aux différences de coefficient de dilatation de ses couches structurelles, et consomme peu (environ 5 mW).
Le fonctionnement du capteur en boucle ouverte est une solution qui ne souffre pas des problèmes constatés sur les architectures auto oscillantes pour mesurer un faible champ
magnétique. Sur les cantilevers FSBM nous disposons en plus d’un moyen d’actionnement électrothermique pratique et faible coût, pour pouvoir étalonner le circuit d’excitation en usine ou périodiquement. C’est donc la solution retenue pour la micro-boussole.