Introduction aux accéléromètres MEMS

Introduction aux accéléromètres MEMS

MEMS est l'abréviation de micro electro mechanical system (système microélectromécanique) et s'applique à tout capteur fabriqué à l'aide de techniques de fabrication microélectronique. Ces techniques permettent de créer des structures de détection mécanique de taille microscopique, généralement sur silicium. Associés à des circuits microélectroniques, les capteurs MEMS peuvent être utilisés pour mesurer des paramètres physiques tels que l'accélération. Contrairement aux capteurs ICP®, les capteurs MEMS mesurent des fréquences allant jusqu'à 0 Hz (accélération statique ou continue). PCB® fabrique deux types d'accéléromètres MEMS : capacitif variable et piézorésistif. Les accéléromètres MEMS à capacité variable (VC) sont des dispositifs à faible portée et à haute sensibilité utilisés pour la surveillance des structures et les mesures d'accélération constante. Les accéléromètres MEMS piézorésistifs (PR) sont des dispositifs de plus grande portée et de faible sensibilité utilisés dans les applications de chocs et d'explosions.

Les accéléromètres PCB® VC MEMS sont des modèles des séries 3711, 3713 et 3741. Les accéléromètres MEMS PCB® PR sont des modèles des séries 3501, 3503 et 3991.

Structure des accéléromètres à capacité variable (VC)

L'élément sensible des accéléromètres MEMS VC est constitué d'une masse d'épreuve micro-usinée suspendue entre deux plaques parallèles. La masse est suspendue à des flexions fixées à un cadre annulaire. Cette configuration forme deux condensateurs à entrefer entre la masse d'épreuve et les plaques supérieure et inférieure. Lorsque la masse d'épreuve se déplace sous l'effet d'une accélération, l'un des entrefers diminue et l'autre augmente, ce qui crée un changement de capacité proportionnel à l'accélération.

Les plaques supérieure et inférieure sont laminées à l'élément de détection de la masse d'épreuve avec une liaison en verre. Cela crée une enceinte hermétique pour la masse d'épreuve et fournit une isolation et une protection mécaniques.

Une sélection de plages de mesure à pleine échelle est obtenue en modifiant la rigidité du système de suspension de la masse d'épreuve. La combinaison d'une masse d'épreuve légère et de la rigidité de la suspension permet d'obtenir une fréquence naturelle élevée. La robustesse est renforcée par l'utilisation de butées mécaniques sur les deux tranches extérieures pour limiter la course de la masse d'épreuve.

Les éléments du capteur utilisent un amortissement par gaz de type squeeze-film pour atténuer les entrées résonnantes à haute fréquence qui provoquent une saturation mécanique. Celle-ci se produit lorsque la course de la masse d'épreuve dépasse ses limites de déplacement. L'amortissement aide à prévenir la saturation en réduisant l'amplification des résonances et prolonge la partie plate de la réponse en fréquence. L'amortissement par gaz est peu affecté par les changements de température.

L'élément de détection est connecté en pont au reste de l'électronique de l'accéléromètre. Cela permet de minimiser les erreurs de mode commun et d'améliorer la linéarité. Tous les accéléromètres PCB® VC contiennent un circuit de conditionnement qui fournit une sortie de haute sensibilité. Ce circuit intégré compense également les erreurs de polarisation du zéro et de sensibilité en fonction de la température. Voir la figure 1 pour la construction des accéléromètres MEMS VC. Les éléments sensibles sont généralement montés sur une carte de circuit imprimé placée dans des boîtiers en titane ou en aluminium.



Figure 1. Construction d'un accéléromètre capacitif variable à courant continu MEMS

Fonction et fonctionnement de l'accéléromètre MEMS VC

Pour tirer parti de la réponse en courant continu des accéléromètres MEMS VC, le dispositif de lecture doit être couplé en courant continu. Si un conditionneur de signaux est utilisé pour l'alimentation, il doit également être couplé en courant continu. Consultez le manuel du fabricant ou du produit concerné pour plus de détails. Comme la plupart des accéléromètres MEMS PCB® VC contiennent un régulateur de tension intégré, ils peuvent également être alimentés par n'importe quelle source d'alimentation de 6 à 28 VDC sans que les performances en soient affectées. Consultez les manuels des différents modèles pour plus de détails sur l'alimentation.

Comme les accéléromètres MEMS du VC peuvent mesurer une accélération statique (constante), la tension de décalage en courant continu sera affectée par l'alignement de la position par rapport à la gravité de la Terre. Lorsque l'axe sensible de l'accéléromètre n'est pas aligné sur la gravité, la sortie est égale à la tension de décalage zérog figurant sur le certificat d'étalonnage PCB®. Si l'axe sensible de l'accéléromètre est aligné avec la gravité, la sortie sera égale à la tension de polarisation plus 1 g de sortie. Les figures 2 et 3 montrent des exemples d'orientation du capteur.



Figure 2. Capteur/axe sensible non aligné avec la gravité (condition de sortie zérog)



Figure 3. Capteur/axe sensible monté en condition de sortie +1g par rapport à la gravité terrestre

L'électronique à l'intérieur des capteurs VC MEMS contient un régulateur de tension. Cela permet au capteur d'être alimenté par n'importe quelle source de tension continue non régulée. PCB® propose les modèles de conditionneurs de signaux 482C27 (4 canaux) et 483C28 (8 canaux) comme sources d'alimentation pour les capteurs VC MEMS. D'autres sources d'alimentation acceptables sont les batteries automobiles ou marines, les alimentations de laboratoire à tension continue et les alimentations à basse tension des cartes PC.

Le blindage du câble doit être terminé à une extrémité pour éviter les boucles de terre. En général, le blindage du câble est relié au boîtier du capteur. Si le capteur est monté avec une plaque d'isolation (ou une autre forme d'isolation électrique) le séparant de la structure d'essai, le blindage peut être relié à la masse du signal à l'extrémité du conditionneur de signal ou de l'acquisition de données. Dans le cas contraire, le blindage du câble doit être laissé flottant (non connecté) à l'extrémité de l'instrumentation.

Vérification de l'accéléromètre MEMS VC

Ces accéléromètres étant destinés à être utilisés dans des applications de mesure critiques, la sensibilité doit être vérifiée pour s'assurer qu'elle est conforme aux spécifications. Un étalonnage statique précis peut être effectué en utilisant la gravité terrestre comme référence d'accélération. Tout d'abord, placez l'accéléromètre dans une orientation de +1g de sorte que la base repose sur la surface de montage et que le numéro de modèle soit orienté vers le haut (figure 3). Dans cette orientation, l'accéléromètre subit une accélération de +1g. Enregistrez la tension de sortie en courant continu à l'aide d'un DVM. Inversez le capteur en le retournant de 180°. Posez la partie supérieure sur la surface de montage, le numéro de modèle étant orienté vers le bas (figure 4). Le capteur subit une accélération de -1g. Enregistrez la tension de sortie en courant continu. Pour calculer la sensibilité de l'accéléromètre, utilisez l'équation suivante :

Sensibilité = [(+1g) - (-1g)] / 2





Figure 4. Capteur/axe sensible monté en condition de sortie -1g par rapport à la gravité terrestre

Structure des accéléromètres piézorésistifs (PR)

Les éléments sensibles des accéléromètres PR sont constitués de flexions sur une plaquette centrale prise en sandwich entre une plaquette supérieure et une plaquette inférieure (figure 5). La courbure de ces flexions provoque un changement mesurable de la résistance qui est proportionnelle à l'accélération appliquée. Il est possible d'obtenir une sélection de plages de mesure à pleine échelle en modifiant la rigidité des flexions ou la masse sismique.

Les plaquettes supérieure et inférieure sont laminées sur une plaquette centrale à l'aide d'un liant en verre. Cela permet d'obtenir une enceinte hermétique pour les flexions ainsi que des butées mécaniques pour la protection contre les dépassements de plage. L'amortissement par gaz réduit l'amplification de la résonance lorsque les accéléromètres PR sont utilisés dans des applications soumises à des chocs importants. L'amortissement réduit la réponse à l'énergie à haute fréquence. On utilise de l'air plutôt qu'un liquide pour réduire les effets thermiques sur l'amortissement.





Figure 5. Construction d'un accéléromètre piézorésistif à courant continu MEMS

Les éléments de détection sont disposés dans une configuration de pont de Wheatstone entièrement active. Un pont entièrement actif (figure 6) utilise deux résistances qui augmentent avec l'accélération ou la force d'entrée, et deux qui diminuent. Ces résistances sont appelées respectivement jauges de tension et jauges de compression. La différence de tension de ces lignes de sortie est proportionnelle à la tension d'excitation appliquée. La tension d'excitation utilisée pendant l'application doit être la même que celle utilisée pendant le processus d'étalonnage.



Figure 6. Pont de Wheatstone

Les éléments de détection sont généralement montés sur des cartes de circuits imprimés placées dans des boîtiers en titane ou en aluminium. Des boîtiers pour montage en surface sont également disponibles. Les capteurs MEMS montés en surface sont généralement soudés ou fixés à l'époxy au niveau d'assemblage suivant. Les figures 7, 8 et 9 sont des exemples d'emballages.



Figure 7. Capteurs PR MEMS dans des boîtiers en titane

Figure 8. Capteur PR MEMS dans un boîtier en aluminium

Figure 9. Accéléromètre PR monté en surface dans un support de puce sans plomb

Fonctionnement de l'accéléromètre MEMS PR

Pour tirer parti de la réponse en courant continu des accéléromètres MEMS, le dispositif de lecture doit être couplé en courant continu. Si un conditionneur de signaux est utilisé pour l'alimentation, il doit également être couplé en courant continu. Consultez le manuel du fabricant ou du produit concerné pour plus de détails. Les accéléromètres PR doivent être alimentés par une source de tension régulée car la sensibilité est proportionnelle à la tension d'excitation. Il est recommandé d'utiliser la tension d'excitation indiquée sur le certificat d'étalonnage pour obtenir la valeur de sensibilité étalonnée. Consultez les manuels des différents produits pour plus de détails sur l'alimentation. Les conditionneurs de signaux PCB® modèles 482C27 et 482C28 peuvent être utilisés pour alimenter les capteurs MEMS piézorésistifs.

La plupart des accéléromètres PR MEMS emballés dans du titane sont fournis avec un câble intégré fixé aux éléments de détection. L'extrémité du câble est munie d'un embout et prête à être connectée à un conditionneur de pont (figure 10). Le fil de terre et le blindage du câble doivent être connectés de manière appropriée à l'extrémité de l'instrumentation afin d'éviter les boucles de terre. Des isolateurs internes permettent d'isoler électriquement l'élément sensible du boîtier et de la structure de montage.





Figure 10. Accéléromètre MEMS PR avec câble intégré et terminaison en queue de cochon

Accéléromètre MEMS PR Vérification

Les accéléromètres MEMS PR sont destinés à être utilisés dans des applications de mesure critiques. L'état du capteur est vérifié en contrôlant la tension de décalage de sortie et la résistance du pont.

Pour vérifier la tension de décalage de sortie, connectez les fils +Exc et -Exc à une alimentation appropriée. Connectez les fils +Sig et -Sig à un voltmètre réglé sur VDC. Montez le capteur dans une orientation +1g de manière à ce qu'il repose fermement sur une surface plane, horizontale et stable. Mesurez la tension différentielle de sortie du capteur. Consultez le certificat d'étalonnage pour vérifier la tension de décalage mesurée.

Pour vérifier la résistance du pont, utilisez un ohmmètre ou réglez un multimètre numérique sur la mesure des ohms. Posez le capteur sur une surface plane et horizontale. Il n'est pas nécessaire d'appliquer une tension d'excitation pour ce test. La résistance d'entrée est mesurée entre les fils +Exc et -Exc. La résistance de sortie est mesurée entre les fils +Sig et -Sig. Le certificat d'étalonnage permet de vérifier les valeurs de résistance mesurées.

Comparaison
Accélérateurs à courant continu capacitifs variables MEMS pour les applications à faible G Accélérateurs piézorésistifs à courant continu MEMS pour les applications à forte valeur G
Technologie de détection Éléments capacitifs micro-usinés
-Boîtiers en titane ou en aluminium		 Éléments résistifs micro-usinés
-Boîtiers en titane ou en aluminium
-Boîtiers pour montage en surface disponibles
Série de modèles PCB 3711 - Surveillance des structures, aptitude à la conduite, essais de vibrations au sol
3713 - Surveillance des structures, aptitude à la conduite, essais de vibrations au sol
3741 - Surveillance des structures, aptitude à la conduite, essais de vibrations au sol
3743 - Surveillance des structures, aptitude à la conduite, essais de vibrations au sol		 3501 - Chocs/explosions à haute G
3503 - Chocs/explosions à haute G
3991 - Choc/souffle à haute G

Cliquez pour plus d'informations sur les accéléromètres à réponse DC, série 3711/3713/3741/3743.

Cliquez pour plus d'informations sur les accéléromètres piézorésistifs, série 3501/3503/3991.