Modélisation et simulation de fautes

Les travaux sur l’analyse de défaillance ont été suivis par des études sur les techniques de modélisation et de simulation de fautes. Contrairement aux circuits microélectroniques, la conception et la modélisation du comportement des microsystèmes ne s’appuient pas sur un flot hiérarchique et bien structuré. D'un côté, les techniques de simulation au niveau des éléments finis (FEM⁵³) sont très générales mais elles sont lourdes à utiliser lors de la simulation de micro structures complexes à cause du bas niveau d'abstraction. En général, la simulation de fautes à ce niveau est peu envisageable. D’un autre côté, les techniques de

52 Multi-User MEMS Processes, MEMS Technology Applications Center (USA).

simulation au niveau du système utilisent des fonctions de transfert qui ne fournissent pas de liens entre le comportement et la réalisation physique à cause du haut niveau d'abstraction. Ces liens sont indispensables à l'injection et la simulation de fautes réalistes. En général, il n’existe pas un niveau de conception intermédiaire facilitant l’assemblage de microsystèmes à partir de l’interconnexion de composants de base, ce qui permettrait une approche de conception hiérarchique.

Nous avons cherché à palier ces problèmes en cherchant des techniques de modélisation permettant la simulation au niveau circuit tout en gardant un lien direct avec la réalisation physique. Celles-ci permettent l’injection de fautes réalistes dans les composants ou les éléments constitutifs d’un dispositif et nous pouvons modéliser les fautes en utilisant les techniques du test analogique et mixte. Nous avons démontré avec Benoît Charlot ces techniques de modélisation de fautes dans deux classes de microsystèmes [21] [23] :

1. D’abord, le fonctionnement de certains types de microsystèmes peut être décrit par l’interaction entre ses éléments constitutifs fondamentaux tels que des poutres, des ponts, des entrefers électrostatiques⁵⁴ ou des masses suspendues [158]. En fournissant des modèles de comportement de chaque composant, nous pouvons utiliser des techniques de simulation au niveau du circuit pour vérifier le comportement de l'ensemble. Ceci est le cas de nombreux dispositifs fabriqués avec les technologies de micro-usinage en surface. Le micro-résonateur des Figures 3.1(c) et 3.1(d) en est un exemple typique.

2. Deuxièmement, certains types de microsystèmes peuvent être décrits en utilisant des modèles équivalents électriques. Puisque les simulateurs électriques sont largement développés et disponibles, ces types de modèles ont été largement étudiés en vue de la simulation du comportement des microsystèmes électromécaniques, électrothermiques ou électromagnétiques. Toutefois, ces modèles ne présentent pas toujours des rapports directs avec la réalisation physique. Nous avons considéré dans ces études des microsystèmes électrothermiques qui ont des circuits équivalents ayant un rapport direct avec la réalisation finale.

La Figure 3.2 illustre comment la représentation au niveau du circuit nous a permis l'injection des modèles de fautes dans des micro structures suspendues électromécaniques et à fonctionnement thermique. Les modèles de fautes définis dans la Figure 3.2(a) permettent de modéliser les comportements défaillants les plus typiques que nous avons décrit dans la section précédente. Il s'agit de fautes de type circuit ouvert et court-circuit dans les domaines thermique et mécanique, en réalité transposant aux microsystèmes des modèles de fautes classiques dans le cas des circuits électriques.

La Figure 3.2(b) montre la fracture d'un doigt dans le cas d'un micro résonateur usiné en surface. Le comportement de ce microsystème est normalement représenté au moyen d'un circuit électrique équivalent (voir, par exemple, [68]). En fait, ce modèle représente des équations qui modélisent le comportement de l'ensemble du dispositif. Il devient alors impossible d'injecter des fautes frappant les éléments constitutifs telle que la fracture d'un doigt. Contrairement, la modélisation électromécanique au niveau circuit de la Figure 3.2(b) représente le dispositif par l'interaction entre ses composants fondamentaux, par exemple, des poutres et des masses sismiques suspendues qui ont leurs propres modèles de comportement. Cette représentation préserve les liens avec la réalisation physique. Dès lors, l'injection d’une faute correspondant à la fracture d’un doigt est immédiate en coupant les liaisons entre la poutre qui représente le doigt fracturé et la poutre qui devrait la supporter.

Classe de

microsystèmes ^Défauts

Modèle de

fautes ^{Exemple typique}

Libération incorrecte d’un composant suspendu Court-circuit thermique La température du composant suspendu est collée à la température du corps de support dans les points de contact.

Microsystèmes thermiques crées par micro-usinage

en volume Fracture d’un composant

suspendu

Circuit ouvert thermique

Un chemin de transfert de chaleur est interrompu.

Collage d’un composant

suspendu ^{Court-circuit} mécanique

Le mouvement d’un composant suspendu est empêché dans les points de collage.

Microsystèmes électromécaniques

crées par

micro-usinage en surface Fracture d’un composant suspendu

Circuit ouvert mécanique

Des joints ou des points d’ancrage de la micro structure ne sont pas opérationnels.

(a)

(b)

silicium non usiné

partie non libérée résistance de chauffe Rf Rcond Rcond Rrad ^Cth Rcon v Rcond Rcond Rf Rf Rf Rf Rf Rf Rf Rf élément thermique

résistance de court circuit thermique

source de chaleur

(c)

Figure 3.2. Modélisation de fautes dans les dispositifs microsystèmes : (a) modèles de fautes des défauts de micro-usinage en structures suspendues à fonctionnement thermique et électromécanique (1999 IEEE European Test Workshop), (b) modélisation d'un circuit ouvert électromécanique provoqué par la fracture d'un doigt dans le cas d'un micro résonateur, et (c) modélisation d'un défaut de micro-usinage d’un convertisseur électrothermique où la partie suspendue n'est pas complètement libérée du substrat (1999 IEEE Design & Test of

La Figure 3.2(c) montre un défaut de micro-usinage en volume dans un convertisseur électrothermique où la partie suspendue n'est pas complètement libérée du substrat. Dans cette partie, la chaleur s'écoule directement au substrat. Les microsystèmes à fonctionnement thermique sont typiquement représentés par des circuits électriques équivalents qui gardent, avec une bonne précision, les liens avec le dispositif physique. Nous pouvons alors modéliser la faute créée par ce défaut en injectant des courts-circuits dans la partie non libérée entre les points affectés de la micro poutre et le substrat. Notons que la modélisation de ce dispositif avec des composants équivalents électriques permet l’utilisation d’un simulateur électrique classique comme HSpice. Par contre, l’exemple du micro résonateur précédent nécessite, pour la simulation du circuit, la modélisation des composants constitutifs avec des modèles comportementaux. Ceci est possible en utilisant des langages de description du matériel comme Verilog-AMS ou VHDL-AMS [69].