Solutions innovantes pour le conditionnement de capteurs résistifs

Innovative solutions for the conditioning of resistive sensors

• Auteur / Autrice : Ibrahim Shankhour
• Direction : Pascal Nouet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : SYAM - Systèmes Automatiques et Micro-Électroniques
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Département Microélectronique
• Jury : Président / Présidente : Hélène Tap
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Nouet, Luc Hebrard, Wenceslas Rahajandraibe, Nicolas Bertsch, Laurent Latorre, Frédérick Mailly
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luc Hebrard, Wenceslas Rahajandraibe

Mots clés

Mots clés libres

Capteur résistif

Mems

Electronique analogique

Pont de Wheatstone

Resistive Sensor

Mems

Analog electronics

Wheatstone bridge

Résumé

Résumé Les capteurs de pression sont utilisés dans de nombreuses applications pour les domaines tels que l'automobile, l'industrie, la défense, l'aéronautique, le spatial et d'autres environnements difficiles. Si l'on met de côté les capteurs à détection capacitive, ce sont essentiellement des capteurs à détection résistive constitués de jauges de contraintes destinées à détecter la déformation d'une membrane. On parle alors de capteurs piézo-résistifs qui couvrent une large gamme de pressions pouvant atteindre plusieurs centaines de bars. La tâche devient difficile pour les mesures d'un niveau de pression inférieur à 5 bars avec des capteurs plus gros en taille et largement plus coûteux. Au cours des dernières décennies, les besoins de miniaturisation, de faible consommation, de réduction des coûts et de fiabilité ont favorisé le développement de capteurs intelligents à base de MEMS alliant un haut niveau de performance et un coût de fabrication faible pour les grands volumes. C'est dans ce cadre que se positionne l'objectif de cette thèse : proposer deux solutions innovantes pour le conditionnement de capteurs résistifs en général avec des applications identifiées pour des capteurs de pression. La première solution proposée est une alternative à l'ajustement, par ablation LASER, d'une matrice de résistances destinée à compenser l'offset post fabrication, à ajuster le facteur d'échelle et à limiter les dérives en température d'un pont de Wheatstone. Pour cela, nous avons proposé une architecture de circuit intégré compacte et efficace qui pourra être encapsulée dans le même boitier que le capteur tout en conservant la compatibilité avec un capteur passif à base de pont de Wheatstone en termes de fonctionnement ainsi que de nombre et de type d'entrées-sorties. Les avantages attendus sont un coût réduit grâce à la mise en œuvre uniquement électrique et un allongement de la durée de vie du capteur grâce à une compensation d'offset à chaque mise sous tension ou à la demande durant toute la durée de vie de capteurs haut de gamme. La deuxième solution repose sur la conception d'un modulateur Sigma Delta (Σ∆) du second ordre sur la base d'une architecture de pont de Wheatstone à amplificateur intégré et à recyclage de courant, brevetée par le LIRMM. Elle permet d'obtenir un signal de sortie numérique avec une consommation et un encombrement bien plus faible que pour une architecture classique composée d'un capteur passif, d'une chaine d'amplification du signal et d'un convertisseur analogique-numérique tout en conservant un niveau de performance équivalent. Le démonstrateur réalisé permet de convertir un signal analogique de l'ordre de 20mV, issu d'un capteur, en numérique, avec une résolution de 0.008%, soit plus de 10000 points de mesures (>13 bits).

Abstract Pressure sensors are used in many applications in fields such as automotive, industry, defense, aeronautics, space and other harsh environments. If we put aside the capacitive detection sensors, they are essentially resistive sensors consisting of strain gauges for the purpose of detecting membrane deformation. These are piezo-resistive sensors that cover a wide range of pressures of several hundred bars. Whoever, the task becomes difficult for measuring pressure levels below 5 bars with larger and much more expensive sensors. Over the past decades, the needs for miniaturization, low power consumption, cost reduction and reliability have favored the development of smart sensors based on MEMS combining a high level of performance and a low manufacturing cost for large volumes. It is in this context that the objective of this thesis is positioned : to propose two innovative solutions for the conditioning of resistive sensors in general with applications identified for pressure sensors. The first solution proposed is an alternative of the adjustment, by LASER ablation, of a matrix of resistors intended to compensate for the post-manufacturing offset, toadjust the scale factor and to limit the temperature drifts of a Wheatstone bridge. To achieve this, we have proposed a compact and efficient integrated circuit architecture that can be encapsulated in the same box as the sensor while maintaining compatibility with a passive sensor based on a Wheatstone bridge in terms of operation as well as number and input-output type. The expected advantages are a reduced cost thanks to the purely electrical implementation and an extension of the lifetime of the sensor thanks to an offset compensation at each power-up or on demand throughout the lifetime of high sensors of range. The second solution is based on the design of a second-order Sigma Delta (Σ∆) modulator based on a Wheatstone bridge architecture with integrated amplifier and current recycling, patented by the LIRMM. It makes it possible to obtain a digital output signal with much lower consumption and size than for a conventional architecture composed of a passive sensor, a signal amplification chain and an analog-digital converter while maintaining an equivalent level of performance. The demonstrator produced converts an analog signal of around 20mV, coming from a sensor, into digital, with a resolution of 0.008%, i.e., more than 10,000 measurement points (>13 bit).