Conception et réalisation de références de tensions alternatives à base de MEMS

Conception et réalisation de références de tensions
alternatives à base de MEMS

Référence de tension en courant alternatif

Effet Josephson 

Les réseaux de jonctions Josephson 1 V et 10 V permettent de raccorder les étalons secondaires au niveau de quelques nanovolts. Cependant, le problème lié à l’instabilité des marches et à leur sélection peu rapide, empêche toute autre application métrologique. Il est aussi impossible de générer avec ces réseaux des tensions en courant alternatif ayant des formes d’onde arbitraires à des fréquences audio. Pour résoudre ces problèmes et étendre les applications de l’effet Josephson à la métrologie du volt en basse fréquence (<1MHz), des équipes de recherche développent des réseaux binaires de jonctions Josephson comme pour un convertisseur numérique-analogique (Fig.8) . Figure 8 : Architecture d’un réseau binaire de jonctions Josephson Le réseau binaire de jonctions Josephson est subdivisé en segments binaires de 1, 2, 4, …, 2N jonctions, qui sont individuellement polarisables. La tension alternative de fréquence f (qq GHz) est appliquée à la jonction par irradiation, ainsi le courant de paires de Cooper se synchronise avec cette fréquence et une tension apparaît aux bornes de la jonction. Cette tension s’écrit : Chapitre I : Références de tension et Microsystèmes – 24 – ( ) (4) Pour chaque fréquence f correspondra une tension de marche V bien définie. La caractéristique des jonctions présente maintenant des marches qui coupent l’axe des tensions pour différentes fréquences du courant. Chacun des segments irradié à la fréquence f peut être polarisé sur les marches de Shapiro d’indice n = 0 et ±1 en appliquant un courant de polarisation I = 0 et ± Ip (Fig.9) [22]. Figure 9 : Caractéristique I-V d’un réseau Josephson La tension de sortie du réseau représente la somme des tensions développées par chaque segment et atteint au maximum la valeur où N est le nombre total de jonctions dans le réseau et KJ-90 la constante Josephson. La figure 10 montre une tension de sortie sinusoïdale d’amplitude 1,25 V et de fréquence 100 Hz obtenue à partir d’un réseau binaire 1 V [23]. Jusqu’à maintenant, des tensions alternatives d’amplitude de l’ordre de 1 V, entre 20 Hz et 1 kHz, ont été générées avec des incertitudes de l’ordre du ppm. Figure 10 : Tension de sortie obtenue à partir d’un réseau programmable de 1V .

Transfert thermique 

Actuellement, la transposition thermique est le moyen le plus précis permettant de raccorder les valeurs efficaces des tensions et des courants alternatifs aux grandeurs continues correspondantes. Cette méthode utilise des convertisseurs thermiques comme étalons de valeur efficace. Ils sont composés d’une résistance chauffante sur laquelle sont fixés un ou plusieurs thermocouples destinés à mesurer l’échauffement de cette résistance. Le principe de la mesure présenté sur la figure 11 consiste dans un premier temps, à appliquer un signal alternatif à l’entrée du convertisseur et de mesurer à l’aide d’un voltmètre la tension DC générée par le thermocouple. Puis dans un second temps, on utilise un signal DC étalon qui sera ajusté de façon à reproduire la même tension à la sortie du thermocouple. La valeur efficace du signal alternatif est alors égale à la valeur de la tension continue, à l’erreur près du convertisseur [26]. Il existe trois types de convertisseurs thermiques : les convertisseurs thermiques mono-jonctions, les convertisseurs thermiques multi-jonctions et les convertisseurs thermiques multi-jonctions à couches minces. Leur fabrication repose sur les techniques de photolithographie. Ils sont composés d’une structure résistive chauffante et de plusieurs centaines de thermocouples déposés sur une fine membrane diélectrique. Figure 11 : Principe de la transposition thermique Ces étalons de valeur efficace présentent de faibles impédances avec un long temps d’intégration et fonctionnent jusqu’à quelques MHz. Les meilleures incertitudes données par des convertisseurs multi-jonctions planaires sont de l’ordre 10-7 à 1 kHz. Ces incertitudes sont dégradées en basse fréquence et au-delà de 100 kHz . En basse fréquence, la transposition thermique peut être remplacée par méthodes d’échantillonnage pour améliorer le Signal AC Signal DC étalon Convertisseur Thermique V Switch AC/DC  raccordement des tensions alternatives. Les incertitudes peuvent être dans ce cas de l’ordre de 2 µV/V entre 20 Hz et 400 Hz . 

Les Systèmes Micro-Electromécaniques (MEMS) 

Introduction 

Les principes et les orientations de ce champ d’activités sont nés aux USA dans les années 80, plus précisément à l’Université de BERKELEY. Il s’agissait de créer, sur silicium, de véritables systèmes très miniaturisés comportant des capteurs, des actionneurs et du traitement du signal, soit par une voie monolithique ou plus généralement par intégration hétérogène. L’idée mise en avant était celle du micro usinage du silicium permettant de créer à côté des fonctions électroniques, des fonctions mécaniques ; c’est ainsi qu’est apparu le concept de MEMS (Micro Electro Mechanical System). Il faut inscrire cette émergence des microsystèmes dans l’histoire de la microélectronique. Il serait vain de vouloir retranscrire cet historique exhaustivement, historique largement développé dans la littérature. On peut cependant poser des marqueurs illustrant cette évolution, soit en termes techniques soit en termes de réalité industrielle [30]. Nous indiquerons par ailleurs certains aspects tant au niveau applicatif que technologique en relation avec notre étude.