Intégration d'une chaine d'acquisition haute résolution et grande stabilité longue terme pour mesure de pression dans les applications pétrolière de fond puits

par Mohand ameziane Aliouay (Aliouat)

Projet de thèse en Electronique

Sous la direction de Dominique Dallet et de Jean-Baptiste Begueret.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde) , en partenariat avec Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde) (laboratoire) et de Circuits et Systèmes Numériques (CSN) (equipe de recherche) depuis le 06-04-2022 .


  • Résumé

    Mon Projet de thése se portera sue le développement d'un convertisseur Analogique/Numérique de grande résolution opérationnel à haute température qui nécessite un effort de développement trop important dans un exercice de retour sur investissement ASIC. Ainsi d'investiguer des nouvelles architectures de reconditionnement du signal analogique permettant une conversion optimisée des données utiles, les missions du thése seront comme suites : La phase 1: concerne la modélisation du système d'acquisition de mesure de la pression compensée en température. Il s'agit de modéliser et d'évaluer les différents concepts d'architecture de conversion Analogique/Numérique avec comme facteur de mérite la qualité de la mesure en sortie du système. Les architectures étudiées pendant ses travaux de thèse seront celles basées sur une mesure du temps plutôt que sur une mesure de l'amplitude [GIE_20 part 1&2]. Naturellement, qu'elles soient en boucle ouverte avec l'utilisation d'un compteur ou en boucle fermée tel le principe d'une PLL, il faudra en sortir une analyse comparative en termes de performances [Sac_16], il faudra aussi étudier leur robustesse vis-à-vis d'une dérive de performance en fonction la température sur du long terme. Cette phase peut nécessiter le développement de software en code C dans l'hypothèse de l'utilisation d'un microcontrôleur pour les traitements digitaux des signaux acquis. Le concept le plus performant fera l'objet d'un prototypage sur cible FPGA, comme cela a pu être fait pour d'autres architectures similaires [bab_17]. Les différents concepts pourront s'inspirer des techniques d'acquisition des capteurs de pression à quartz, [ROSE 7,9&13]. La phase 2: concerne l'identification des concepts d'implémentation circuits permettant de mettre en œuvre l'architecture d'acquisition sélectionnée. Différentes topologies de circuits seront étudiées afin d'allier performance et stabilité de la mesure dans le temps. Il sera alors nécessaire de définir une solution de génération de fréquence précise et stable dans le temps. Cette phase de travail est corrélée à la phase suivante qui ne peut être menée séquentiellement. La performance et la stabilité du circuit dépend des performances intrinsèques de la technologie silicium sur laquelle il est conçu et fabriqué. La phase 3: concerne l'évaluation et la sélection de la technologie à semiconducteur ciblée pour l'implémentation du circuit intégré tenant compte des mécanismes de défaillance associés au fonctionnement du transistor dans les limites de l'aire de sécurité de fonctionnement. En effet, dans le régime de fonctionnement en haute température ambiante, les densités de courant et les températures internes peuvent activer des mécanismes de défaillance qui limite la durée de vie du transistor [JAC_15]. Cette étape pourra sans s'y réduire s'appuyer sur les travaux d'incorporation des lois de vieillissement dans le modèle compact CMOS en environnement sévère [TRAN21] issus de la collaboration entre l'IMS et Schlumberger. La phase 4:concerne la conception d'un prototype circuit intégré mettant en œuvre l'acquisition de la mesure de pression. Il s'agit d'optimiser les schématiques en transistors en simulation sous Cadence afin de garantir une performance de mesure en haute température ambiante, stable dans le temps et robuste aux variations des procédés de fabrication du circuit intégrés en fonderie. Les schématiques optimisées permettons ensuite de réaliser les dessins physiques des masques utilisés en fonderie pour la fabrication du circuit au niveau Wafer. La Phase 5: concerne la vérification et validation du prototype après sa fabrication en fonderie. Cette phase comporte une caractérisation du circuit en température puis en pression. Ensuite, la stabilité long terme des performances sera vieillissement accéléré en étuve

  • Titre traduit

    Integration of a high-resolution acquisition chain with high long-term stability for pressure measurement in downhole oil applications


  • Résumé

    My thesis project will focus on the development of a high resolution Analog / Digital converter operational at high temperature which requires too much development effort in an ASIC return on investment exercise. Thus to investigate new analog signal reconditioning architectures allowing an optimized conversion of useful data, the thesis missions will be as follows: Step1: concerns the modeling of the temperature compensated pressure measurement acquisition system. It is a question of modeling and evaluating the different concepts of Analog/Digital conversion architecture with the quality of the measurement at the output of the system as a factor of merit. The architectures studied during his thesis work will be those based on time measurement rather than amplitude measurement [GIE_20 part 1&2]. Naturally, whether they are in open loop with the use of a counter or in closed loop such as the principle of a PLL, it will be necessary to produce a comparative analysis in terms of performance [Sac_16], it will also be necessary to study their robustness vis-à-vis a performance drift as a function of temperature over the long term. This phase may require the development of software in C code assuming the use of a microcontroller for the digital processing of the acquired signals. The most efficient concept will be prototyped on an FPGA target, as has been done for other similar architectures [bab_17]. The different concepts could be inspired by the acquisition techniques of quartz pressure sensors, [ROSE 7,9&13]. Step 2: concerns the identification of circuit implementation concepts to implement the selected acquisition architecture. Different circuit topologies will be studied in order to combine performance and stability of the measurement over time. It will then be necessary to define a precise and stable frequency generation solution over time. This phase of work is correlated to the following phase which cannot be carried out sequentially. The performance and stability of the circuit depends on the intrinsic performance of the silicon technology on which it is designed and manufactured. Step 3: concerns the evaluation and selection of the targeted semiconductor technology for the implementation of the integrated circuit taking into account the failure mechanisms associated with the operation of the transistor within the limits of the operating safety area. Indeed, in the operating regime at high ambient temperature, current densities and internal temperatures can activate failure mechanisms that limit the lifetime of the transistor [JAC_15]. This step could, without being reduced to it, be based on the work of incorporating aging laws into the compact CMOS model in a harsh environment [TRAN21] resulting from the collaboration between the IMS and Schlumberger. Step 4: concerns the design of an integrated circuit prototype implementing the acquisition of the pressure measurement. The aim is to optimize the schematics in transistors in simulation under Cadence in order to guarantee measurement performance at high ambient temperature, stable over time and robust to variations in the manufacturing processes of the integrated circuit in the foundry. The optimized schematics then make it possible to produce the physical drawings of the masks used in the foundry for the manufacture of the circuit at the Wafer level. Step 5: concerns the verification and validation of the prototype after its manufacture in the foundry. This phase includes a characterization of the circuit in temperature and then in pressure. Then, the long-term stability of performance will be accelerated aging in an oven