Contributions à la conception de microsystèmes sigma-delta asservis
par Cyril Condemine
Thèse de doctorat en Dispositifs de l''électronique intégrée
Sous la direction de Daniel Barbier.
Soutenue en 2001
à Lyon, INSA , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec LPM - Laboratoire de Physique de la Matière (laboratoire) .
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Résumé
Grâce aux techniques de micro-usinage du silicium, les capteurs connaissent un formidable essor : on tend vers des microsystèmes intelligents intégrant capteurs, actionneurs, et électroniques. Les actionneurs autorisent un asservissement, réduisant les non-linéarités et augmentant la bande passante. Si les impératifs de production imposent des circuits les plus économiques possibles, les applications imposent aux microsystèmes d’être de plus en plus performants, en terme de résolution et de consommation. Les convertisseurs sigma-delta semblent être une solution adaptée et économique pour les interfaces des microsystèmes : en intégrant le capteur comme élément actif du modulateur, on réalise simultanément les fonctions de lecture, d’asservissement et de conversion analogique numérique. Cependant, les réalisations proposées à l’heure actuelle n’optimisent jamais simultanément ces fonctions. De plus, les microsystèmes résonants, pourtant en pleine expansion (MEMS, systèmes SAW…), ne sont pas compatibles avec ces interfaces. Nous proposons des architectures intégrant une régulation proportionnelle et intégrale pour un asservissement optimisé, tout une mise en forme du bruit de quantification maximale et contrôlée. Ces architectures sont validées par leur application à un accéléromètre et à capteur de conductivité thermique de la peau. Un circuit à capacités commutées a été réalisé en technologie CMOS 0. 6 micromètre. Des architectures sigma-delta passe-bande, intégrant le capteur comme élément actif du modulateur éventuellement associé à un oscillateur libre sont étudiées. Elles réalisent la mise en résonance du capteur, le contrôle de l’amplitude des oscillations et leur conversion analogique numérique. L’application à un microgyromètre valide leur fonctionnalité. L’utilisation de ces structures pourra être étendue à des microsystèmes non-capteurs, afin d’améliorer les performances des convertisseurs sigma-delta.
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Titre traduit
= Contributions to servo looped sigma-delta microsystems design
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Résumé
Thanks to silicon micromachining, sensors production is growing up: at present time, smart Microsystems include microsensors, microactuators and electronics in the same package. The use of actuators allows servo control: the bandwidth is enlarged and the non-linearity decreased. Not only have microsystems to be cost effective for mass production, but also to be extremely competitive in terms of power dissipation, resolution and bandwidth. Sigma-Delta converters fulfill those requirements : electronic sensor interface, servo control and analogue to digital conversion can be achieved by including the sensor as an active noise shaping element. But today's realizations hardly ever optimise those functions at the same time. Even more, resonant sensors, like MEMS or SA W resonators, are not compatible with those architectures. This work presents a new sensor interface based on an improved sigma-delta structure. In addition to the data acquisition and analogue to digital conversion, the modified modulator achieves a proportional and integral servo control of the sensor. This structure is applied to a micromachining accelerometer and to a thermal flow microsensor. The proposed implementation is based on a CMOS 0. 6 μm switched-capacitor circuit. Sigma-Delta bandpass architectures, including resonant sensors in the modulator first stage and simultaneously in a self oscillating loop are presented. As an example, those circuits realize the resonance initialisation, the control of the oscillation's amplitude, and the analogue to digital conversion of the movement of the seismic masses of a resonant micromachining gyrometer. The use of those modified sigma-delta modulators can be extended to non-sensing micro systems in order to enhance the modulator performance in terms of power and resolution.
