Différents aspects dans les capteurs

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Cours « Capteurs »

septembre 2010 Raoul Herzog

raoul.herzog@heig-vd.ch bureau C01a

tél : 024 557 61 93

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Objectifs du cours de capteurs

1) Connaître quelques) q q principes physiquesp p p y q de différents capteursp 2) Connaître quelques principes du conditionnement du signal 3) Connaître les caractéristiques et les limitations de différents 3) Connaître les caractéristiques et les limitations de différents

capteurs

point de vue utilisateur :

• bon choix du capteur pour une application concrètep p pp

• savoir utiliser un capteur i t d dé l

point de vue développeur :

• concevoir et développer un capteur

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Différents aspects dans les capteurs

principes physiques i é

exploités

diti t d i l

conditionnement du signal

transport de l‘information bus de capteurs

technologie, produits

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motivation

⁽¹⁾

Une voiture moderne comprend une centaine de capteurs ! Capteurs liés au

- moteur et système de traction, - au confort,

- à l‘environnement, - et surtout à la sécurité

Quelle: BMW AG

Objectif des constructeurs d‘automobiles :

zéro accidents

Eviter tout accident, même si le conducteur est inattentif et/ou pétulant.

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capteurs pour la sécurité des voitures

• reconnaissance de piétonsp

• distance entre les voitures sur l‘auto- route

capteur de pression des pneus capteur de pression des pneus

 transmission sans fil

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motivation

⁽²⁾

Il n‘y a plus de constructeur d‘automobile suisse, mais ...

La Suisse est très forte dans le domaine des capteurs.

(exemples d‘entreprises suisses : Posic, LEM, Vibromètre, Sensirion, Baumer, Kistler, ...)

L d i

Les capteurs : un domaine

• de haute technologie

• de multi-technologie

physique, chimie, matériaux, mécanique, électronique, traitement du

p y q , , , q , q ,

signal, « intelligence », techniques de miniaturisation, ...

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motivation

⁽³⁾

Les capteurs : un domaine innovateur

d di i d i l

• du conditionnement du signal au capteur « intelligent »

• p. ex. numérisation dans le capteur

• p. ex. compensation des dérives thermiquesp p q

• p. ex. autocalibration

• p ex transmission sans fil

• p. ex. transmission sans fil

miniaturisation sur le chip :p MEMS

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classification des mesurandes

• mécanique q

déplacement, vitesse, accélération, force, pression, masse, débit, ...

• électrique

courant, charge, impédance, ...

th i

• thermique

température, flux thermique, ...

• magnétique

champ magnétique, perméabilité, ...

• radiation

lumière visible rayons X radioactivité lumière visible, rayons X, radioactivité, ...

• bio / chimique

h idi é dé i d h è i

humidité, détection de gaz, sucre, hormones, paramètres vitaux

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Généralités : capteurs et chaînes d‘acquisition

mesurande élément sensible (transducteur)

Conditionneur traitement des

signaux

signal

typ. grandeur non-électrique

(transducteur) signaux

électrique exploitable

grandeurs d‘influence (perturbations)

Idéalement, le signal de sortie du capteur devrait être une image fidèle du

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problèmes

problèmes ...

• le signal fourni par le capteur dépend

aussi des grandeurs d‘influences (p ex dérives thermiques aussi des grandeurs d influences (p. ex. dérives thermiques, bruit de mesure, etc.).

• une variation du mesurande provoque une variation retardée du signal de sortie (temps de réponse fini).

• le fait d‘introduire un organe de mesure peut déjà changer l‘environnement, et le mesurande.

 Le but réaliste consiste à avoir une image du mesurande

i fidèl ibl ( i i fidèl é i !)

aussi fidèle que possible (mieux : aussi fidèle que nécessaire !)

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grandeurs d‘influence, exemples

• température ambiante

• pression, accélération, vibrations

• humidité

• champs magnétiquesp g q

• tension d‘alimentation

• lumière ambiante

Possibilités pour réduire l‘effet nocif des grandeurs d‘influence :

bli d i l t

• blindage, isolement

• stabiliser les grandeurs d‘influence à des valeurs connues, et

é l l

étalonner le capteur

• compenser les grandeurs d‘influence (p.ex. montage différentiel)

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exemple « micro-capteur intelligent »

capacité miniaturisée avec un diélectrique en polymère hydrophile technologie CMOSg

changement d‘humidité  changement de capacité  signal utile avec compensation des grandeurs d‘influence (température)

avec compensation des grandeurs d influence (température) et calibration automatique

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Courbe d‘étalonnage statique, cas idéal

réponse du capteur

) ( m F

s 

nécessite une mesure de référence mesurande

nécessite une mesure de référence du mesurande !

sensibilité du capteur en régime statique:

s S 



(pente locale)

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linéarité

réponse du capteurp p

(droite de régression)

mesurande m

La linéarité s‘exprime en %, c‘est l‘erreur relative maximale entre la droite de régression et la caractéristique réelle.

entre la droite de régression et la caractéristique réelle.

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définition : résolution, étendue de la mesure

L é l ti d‘ t t l l tit i ti d d

La résolution d‘un capteur est la plus petite variation du mesurande que le capteur est capable de décéler (à ne pas confondre avec la

é i i ) précision).

étendue de la mesure :

• zône nominale

= plage nominale du mesurande (fonctionnement normal)

• zône de non-détérioration

hors specs, ne fonctionne plus, mais pas de destructionp , p , p

„absolute maximum ratings“

• zône de non-destruction

modification permanente des caractéristiques !

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rapidité d‘un capteur

• bande passante

fréquence de coupure où la sensibilité a diminué de -3dB fréquence de coupure où la sensibilité a diminué de -3dB

• temps de réponse

saut du mesurande : le temps nécessaire pour que le signal du capteur saut du mesurande : le temps nécessaire pour que le signal du capteur arrive dans une fourchette de 5% de la valeur finale

 bande passante et temps de réponse sont liés.

pour un système linéaire :

T    f

 

2 3 3

rép

f

c



 

p

2

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erreurs de mesure

• erreurs systématiquesy q

(p.ex. dérives, viellissement, mauvaise utilisation, etc

• erreurs accidentelles (aléatoires)

• erreurs accidentelles (aléatoires) p.ex. bruit, parasites, etc

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erreurs de mesure

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Caractéristiques statistiques d‘un capteur

Précision = Fidélité (répétabilité) + Justesse

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Choix du capteur

• nature du mesurande, capteur basé sur quel principe physique ?

• performancesperformances (résolution précision plage de mesure(résolution, précision, plage de mesure, ...) ?) ?

• caractéristiques d‘environnement, grandeurs d‘influence ?

• encombrement ?

• prix ?p

• fiabilité (MTBF : Mean Time Between Failures) ? 1

 1 MTBF 

1 N

: taux de défaillance

t

1

^déf

pop



 

 N

N

_{p p}

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« courbe de baignoire »

 : taux de défaillance

défaillances prématurées

usure

viellissement prématurées

défaillances aléatoires

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éléments fonctionnels d‘un capteur

énergie d‘excitation énergie d‘alimentation

mesurande

signal tili bl modification

signal électrique

élément

mesurande

transducteur conditionneur

utilisable de l‘élément sensible signal électrique

sensible

grandeurs d‘influence (perturbations)

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exemples d‘éléments sensibles

accéléromètre MEMS

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exemples d‘éléments sensibles

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exemples d‘éléments sensibles

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exemples d‘éléments sensibles

• polymère qui change ses propriétés électriques en fonction de l‘h idi é bi

l‘humidité ambiante

• jauge de contrainte

• fil chaud pour mesurer la vitesse d‘un écoulement de fluide

• bilame, thermistance

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Capteurs (transducteurs) passifs

•

capteurs résistifs

• capteurs inductifs

• capteurs capacitifs

Capteurs (transducteurs) actifs

•

capteurs piézoélectriques t t h ét i

• capteurs tachymétriques

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Capteurs résistifs

• capteurs potentiométriques

d dé l t li é i / l i mesure du déplacement linéaire / angulaire

• jauges de déformation / contrainte

mesure de déformation, force / effort, couple, pression

• capteurs thermiques

mesure de température et de débit

• capteur d‘humiditécapteur d humidité

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rappel : structure de la matière

Influence du nombre d’électrons contenus dans la couche de valence

Couche _{4 5 6 7} _{8 él t}

1 2 3 él t Couche

de valence ?

4, 5, 6, 7 ou 8 électrons 1, 2 ou 3 électrons

4 électrons (quelques cas) Les électrons

Capture des électrons libres

Dopage

?

Les électrons non libres sautent

d’un atome à l’autre

oui

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capteur potentiométrique (bas de gamme)

(31)

linéarité

(32)

résolution limitée du potentiomètre bobiné

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inconvéniants des capteurs potentiométriques

• contact du curseur  usure, durée de vie limitée

• frottement (finesse)

• vitesse limitée

• coefficient de température

• bruit du potentiomètrebruit du potentiomètre

• résolution limitée

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écran tactile résistif

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Effet piézorésistif

(à ne pas confondre avec piézoélectrique)

dV d

V C dV d 



 V

C : constante de Bridgman

C = typ. 1.13 ... 1.15 pour des jauges métalliquesyp p j g q C = typ. 100 pour les jauges à semiconducteur

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facteur de gauge (sensibilité relative)

A R   l

A

Les 3 paramètres l, p , , et A changent simultanément, et les effets se , g , rajoutentj Après linéarisation, on trouve :

l l C d

R R

d  ( 1  2   ( 1  2  ))  l

R ( ( ))

déformation 

h l if

changement relatif de la résistance

facteur de jauge

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jauge de contrainte

(38)

Jauge de contrainte collée sur une structure mécanique

structure mécanique

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jauge de contrainte collée sur une structure mécanique (p.ex. barre de traction)

permet aussi de mesurer des forces corps d‘épreuve

: mesurande primaire

loi de Hook :

A : section du corps d‘épreuve A : section du corps d épreuve

E : module de Young

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caractéristique déformation / contrainte

]2 ] = [Pa]

t

[N/m2 rupture

zône à déformation plastique

ainte  zône à déformation plastique

 irréversible

contra

zône élastique

 loi de Hook

déformation  = L / L

 loi de Hook 2% max

déformation  L / L

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Grandeurs d‘influence

• température

influence sur résistivité & différence dans les coefficients de dilatation

 jauges à semiconducteurs sont très sensibles à la température autoéchauffement  courant de mesure typ. limité à ~20 mA pour jauges métalliques.

jauges éta ques.

•

tension thermoélectrique

à la jonction de 2 métaux différents

(élé t th l )

(élément thermocouple)

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différentes configurations en pont de Wheatstone

buts :

• augmenter la sensibilité

• augmenter la linéarité

• compenser les dérives thermiques

) 1

0

( x

R 

p. ex.

F

) 1

0

( x

R 

) 1

0

( x

R 

(43)

caractéristiques typiques des gauges

métallique semiconducteur plage de mesure

¹⁰^-7 ^{... 0.04} ¹⁰^-9 ^{... 0.003}

facteur de gauge

1.8 ... 2.35 50 ... 200

résistance 

120, 350, ..., 5‘000 1‘000, ..., 5‘000

tolérance de la résistance

0.1% ... 0.2% 1% ... 2%

taille, mm

0.4 ... 150 1 ... 5

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capteurs de force piézorésistifs basés sur semi- d t

conducteurs

F > 0

capteur miniature de force, circuit intégré SMD

incorpore un pont de Wheatstone

(45)

exemple de produits industriels

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capteur de force 6 axes basé sur jauges de contrainte

mesure les forces F

_x

, F

_y

, F

_z

, et les couples T

_x

, T

_y

, T

_z

applications p.ex. en robotique

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capteur de force pour mesurer la force de retenue de

la ceinture de sécurité

(48)

application a tomic f orce m icroscope „AFM“

(49)

mesure de pression différentielle

élément sensible : diaphragme déformable

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autre application : accéléromètre

élément sensible = masse sismique + gauge de force

(51)

modélisation d‘un capteur d‘accélération

boîtier mesure indirecte de l‘accélération

m

masse sismique par la déformation de l‘élément de support

de la masse sismique

m q

k d

buts :

t l

bande passante

^d ^t ^! ^{accél :}

• trouver la

bande passante

du capteur !

• comment

dimensionner

les éléments sensibles pour que le capteur mesurande délivre un signal de sortie qui reproduit le plus fidèlement possible

(52)

Capteurs thermiques

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sondes en platine

• fil de platine (état de pureté : 99.999 %) enroulé sur un support

 précis, mais très cher

• déposition film mince de platine, ~1 m d‘épaisseur sur support

 réponse rapide, moins cher

R(T) = R₀₀ (1+ T) : comportement linéaire PT100, PT1000

PT100, PT1000

précision typique : 0.1% ... 1%

: typ 0 385 % / °C

: typ. 0.385 % / °C

comparaison : une résistance de précision a un coefficient de

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plage de mesure

sonde platine : typ. de -200°C ... 650°C, voire plus

pour les très hautes températures, on utilise plutôt le tungsten

symboles IEC normalisés :

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thermistances à semiconducteur

comportement nonlinéaire, souvent de type exponentiel

• PTC (= positive temperature coefficient)

• NTC (= negative temperature coefficient)

• CTR (=CTR ( critical temperature resistance)critical temperature resistance)

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