Conditionnement de capteurs capacitifs dans des systèmes faible consommation

Depuis l’apparition du premier transistor en 1947 et du premier circuit intégré inventé en 1958, les technologies microélectroniques n’ont cessé d’évoluer jusqu’à devenir indispensables au quotidien. L’industrie du semi-conducteur est aujourd’hui une industrie de premier plan qui innove sans cesse au niveau des technologies de fabrication. Parmi ces technologies, les technologies CMOS (Complementary Metal Oxide Semi-conductor) sur substrat massif sont encore très largement prépondérantes sur le marché du semi-conducteur même si d’autres technologies progressent ou sont sur le point d’émerger (SOI, FinFET, nanotubes de carbone, …).

Les développements technologiques justifiés par la croissance rapide du marché des semiconducteurs ont permis, dix ans après l’introduction des premiers circuits intégrés à base de transistors, de disposer de capacités de micro-usinage en surface, utilisant la gravure sélective de couches sacrificielles, et en volume, utilisant la gravure du substrat semi-conducteur. À partir de ces étapes technologiques simples, les chercheurs ont proposé la fabrication de capteurs micro-usinés qui héritaient des avantages des circuits intégrés tels que les petites dimensions, la fabrication par lot, la faible consommation d’énergie ou le faible coût. L’apparition des ces technologies d’usinage a permis la multiplication exponentielle des capteurs dans notre environnement car l’industrialisation des capteurs traditionnels était ralentie par un coût élevé, des contraintes de fabrication importantes, des parasites dus à la connectique et une inadaptation aux contraintes (encombrement, consommation…) des applications émergentes.

Ces systèmes miniaturisés dont les dimensions sont de l’ordre du micromètre sont appelés « MEMS » (Micro Electro Mechanical Systems) aux États-Unis ou Microsystèmes en France et en Europe ou Micromachines au Japon. Les premiers succès commerciaux sont apparus dans les années 1980 sous la forme de capteurs de pression sur silicium tout intégrés. Les MEMS ont la particularité de pouvoir intégrer, sur un même substrat et dans une même technologie ou sur différentes puces issues de technologies différentes, des capteurs, des actionneurs, de l’électronique de mesure, des dispositifs de traitement d’information. La particularité de ces systèmes est qu’ils sont multiphysiques et font donc appel à différents domaines tels que l’électrique, la mécanique, l’optique, l’électrochimique, la thermique… Dans le même temps, les technologies d’intégration à très grande échelle (Very Large Scale Integration, VLSI) ont permis d’intégrer un nombre croissant de fonctions et offert des possibilités décuplées de traitement numérique du signal. Aujourd’hui, les capteurs MEMS et les circuits « VLSI » sont très utilisés dans de nombreux domaines tels que l’automobile, les télécommunications, le médical, la météorologie, la construction antisismique, le spatial… Leurs avantages majeurs sont les réductions de coût, d’encombrement, de masse et de consommation.

Le monde des capteurs MEMS est extrêmement varié et parmi eux, les capteurs capacitifs représentent une part importante du marché. La mesure est souvent basée sur le changement de valeur d’une capacité électrique obtenu lorsque une au moins des électrodes se déplace. Ce principe est très utilisé pour la mesure de faibles déplacements tels que ceux obtenus dans les micro-accéléromètres que l’on trouve couramment dans les smartphones, les appareils photo, les systèmes de déploiement d’airbags, les manettes de jeu vidéo… D’autres capteurs capacitifs utilisent les variations de permittivité électrique du diélectrique situé entre deux électrodes. Certains capteurs d’humidité utilisent ce principe. Enfin, il existe aussi des capteurs de pression capacitifs qui sont généralement destinés à de très hautes températures et de très fortes pressions. Une membrane en silicium jouant le rôle d’électrode mobile va se rapprocher d’une électrode fixe, créant ainsi une variation de capacité électrique.

Dans la plupart des cas, les variations de capacités sont relativement faibles (de l’ordre de quelques %) et il est donc impératif d’optimiser le conditionnement électronique et la conversion analogique numérique pour disposer d’un signal exploitable par un microcontrôleur.

Ce travail de thèse est donc dédié à la conception d’une interface électronique, pour capteurs capacitifs, faible consommation (<10µA), faible bruit, disposant d’une sortie numérique.

Les capteurs capacitifs sont très courants pour la mesure en laboratoire et industrielle de grandeurs aussi bien physiques que chimiques [1], [2]. Traditionnellement, il s’agit principalement de condensateurs plans et de condensateurs cylindriques .

Plus récemment, de nombreux capteurs capacitifs sont réalisés à partir de techniques issues de la microélectronique pour obtenir un micro-système électromécanique (Micro Electro Mechanical System, MEMS). Dans ce cas la capacité est généralement basée sur une structure interdigitée .

Le principe des capteurs capacitifs est basé sur la variation d’une capacité en réponse à la variation du mesurande (i.e. la grandeur à mesurer). La variation de cette capacité peut être induite par celle d’un des trois paramètres qui caractérise le condensateur :
– la distance D entre les armatures/plaques ;
– la surface active A des armatures/plaques ;
– la permittivité  du diélectrique séparant les deux armatures/plaques.

Par exemple, les capteurs de pression sont basés typiquement sur une variation de la distance et les capteurs de position sur une variation de la surface ou de la distance. Les variations de permittivité du diélectrique sont par exemple exploitées dans des capteurs d’humidité mais ce type de transduction est moins courant.

Les capteurs capacitifs peuvent être classés en deux familles [2], [3] : 1) les capteurs capacitifs simples, qui ont un seul élément de détection, c’est à dire une seule capacité variable, et 2) les capteurs capacitifs différentiels qui ont deux éléments de détection, ou deux capacités variables, qui varient de façon opposées et forment un demi-pont capacitif.

Les avantages de la structure différentielle sont la rejection des effets des grandeurs d’influence (par exemple, température, interférence, bruit en mode commun) qui impactent de façon équivalente les deux éléments de détection et la possibilité de commander plusieurs capteurs avec la même interface [19], [37]. Pour cette raison, les capteurs capacitifs différentiels sont largement utilisés pour mesurer une accélération, une pression, une contrainte, des positions angulaires, des déplacements, l’humidité…

Pour les accéléromètres capacitifs micro-usinés, la structure différentielle est généralement constituée de trois structures interdigitées : la plaque centrale est mobile et les plaques externes sont fixes.