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Capteurs MEMS

Produits associés : UHFLI, HF2LI, MFLI, MFIA

Description de l'application

Sensor characterization with Zurich Instruments' devices

De nombreux dispositifs de détection, notamment les capteurs inertiels et environnementaux, peuvent être miniaturisés et fonctionner avec une consommation d'énergie minimale grâce aux systèmes micro-électromécaniques (MEMS). Entre la planche d'essais et la réalisation du capteur, une étape essentielle est la caractérisation du comportement de la structure MEMS. Des circuits intégrés spécifiques à l'application (ASIC) sont souvent développés à cet effet, mais cette approche rend le processus itératif de développement du capteur long et compliqué. Une méthode de caractérisation rapide et complète des dispositifs MEMS est donc fondamentale.

Stratégies de mesure

Pour comprendre à fond le comportement d'un capteur, il faut étudier la réponse de la structure MEMS sous l'influence d'un signal de commande ou en fonction des changements de l'environnement. Plusieurs mesures - décrites ci-dessous - sont nécessaires pour tenir compte d'une large gamme de paramètres.

L'analyse de la réponse en fréquence est essentielle pour établir le signal de commande optimal afin de maximiser la performance du capteur. Cette analyse permet également de caractériser la résonance et les bandes latérales du capteur. Les mesures peuvent être effectuées en faisant varier les paramètres du signal de commande à l'aide d'un balayeur paramétrique ; il est également possible d'utiliser des résonances paramétriques. Pour surveiller les variations rapides de la réponse en fréquence du capteur, le chirp FFT offre une résolution spectrale et temporelle élevée.

La figure montre comment l'outil Sweeper de LabOne peut être utilisé pour caractériser la résonance d'un capteur.

Frequency Sweep with LabOne

Les mesures de la réponse indicielle renseignent sur le comportement du capteur suite à un changement de son signal de commande ou d'un facteur environnemental. Ces mesures résolues en temps révèlent les propriétés structurelles du capteur telles que l'amortissement et son facteur de qualité.

Les structures MEMS présentant des amortissements différents peuvent être surveillées simultanément à l'aide de plusieurs démodulateurs, comme le montre cette mesure de 'ring-down'.

Ring-down measurement with LabOne

L'analyse de l'impédance est utilisée pour caractériser la structure du transducteur du dispositif MEMS : l'impédance dépend de la structure ainsi que du signal de commande et des conditions environnementales. Des mesures précises sont donc essentielles.

La haute précision verticale et l'élevée résolution temporelle offertes par l'analyseur d'impédance MFIA ou par l'option MF-IA pour la détection synchrone MFLI permettent de quantifier l'effet des changements rapides de l'environnement sur la capacité (courbe orange) et la résistance (courbe cyan) d'un capteur.

Impedance analysis with the MFIA or the MF-IA option for the MFLI

Le contrôle du capteur en boucle fermée oblige le capteur à rester réglé sur sa condition optimale. Pour cela, il faut verrouiller la phase du capteur à l'aide d'une boucle à verrouillage de phase (PLL) ou verrouiller d'autres paramètres tels que l'amplitude à l'aide d'un contrôleur proportionnel-intégratif-dérivé (PID). Cela augmente également la largeur de bande de mesure.

Les traces temporelles sur cette figure montre comment le contrôle automatique du gain stabilise le capteur en fermant une PLL (trace bleue) et un contrôleur PID (trace orange).

Closed-loop sensor control visualized in LabOne

Pourquoi choisir Zurich Instruments

  • Toutes les stratégies de mesure évoquées ci-dessus peuvent être mises en œuvre et testées avec les détections synchrones de Zurich Instruments, éliminant ainsi la nécessité du développement ASIC : profitez d'une approche unifiée pour vos applications de capteurs MEMS.
  • Suivez et contrôlez plusieurs résonances simultanément en utilisant les démodulateurs et oscillateurs offerts par un seul instrument.
  • L'électronique analogique de Zurich Instruments est caracterisée par plusieurs étages d'entrée pour minimiser le bruit d'entrée et maximiser le rapport signal sur bruit pour les signaux périodiques.
  • Avec le module d'acquisition de données (DAQ), vous pouvez automatiser vos mesures grâce au logiciel LabOne (inclus avec chaque instrument) et à ses API pour Python, C, MATLAB®, LabVIEW™ et .NET.
  • Le transfert rapide de données numériques à travers des connexions USB ou GbE vous permet d'enregistrer les résultats de mesure sans carte de numérisation supplémentaire.

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Vidéos

Webinaire sur la caractérisation et le contrôle des capteurs

Zurich Instruments Webinar - Sensor Characterization and Control

Application Notes

Zurich Instruments

Control of MEMS Coriolis Vibratory Gyroscopes

Publications

Cazier, N., Sadeghi, P., Chien, M.-H., Shawrav, M.M. & Schmid, S.

Spectrally broadband electro-optic modulation with nanoelectromechanical string resonators

Opt. Express 28, 12294–12301 (2020)

Bhattacharya, S. & Li, S.

A Fully Differential SOI-MEMS Thermal Piezoresistive Ring Oscillator in Liquid Environment Intended for Mass Sensing

IEEE Sensors Journal 19, 7261-7268 (2019)

Pandit, M., Zhao, C., Sobreviela, G., Zou, X. & Seshia, A.

A High Resolution Differential Mode-Localized MEMS Accelerometer

Journal of Microelectromechanical Systems 28, 782-789 (2019)

Setiono, A. et al.

Phase optimization of thermally actuated piezoresistive resonant MEMS cantilever sensors

J. Sens. Sens. Syst. 8, 37–48 (2019)

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