Conditionnement de capteurs capacitifs dans des systèmes faible consommation

Capacitive sensors conditioning in low power systems

• Auteur / Autrice : Patcharee Kongpark
• Direction : Pascal Nouet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes automatiques et micro-électroniques
• Date : Soutenance le 14/10/2016
• Etablissement(s) : Montpellier
• 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-....)
• Jury : Président / Présidente : Guy Cathébras
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Nouet, Guy Cathébras, Dimitri Galayko, Luc Hébrard, Nicolas Bertsch, Frédérick Mailly
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dimitri Galayko, Luc Hébrard
• DOI : 10.70675/0ff2568az2b46z47e2z905dz6ad62dbeeeac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes microélectromécaniques

Convertisseurs numérique-analogique

Modulateurs (électronique)

Capteurs (technologie)

Mots clés libres

Capteurs capacitifs

Pont actif

Interfaces de conditionnement électronique de capteur

Convertisseur capacité tension

Modulateur Sigma-Delta

Capacitive sensors

Active Bridge

Sensor electronic interfaces

Capacitance to voltage converter

Sigma-Delta Modulator

Résumé

De nos jours, les capteurs capacitifs sont largement utilisés dans la mesure de grandeurs physiques telles que le déplacement, l’humidité, la pression, etc. Cette large diffusion est principalement due au développement des technologies MEMS qui ont permis de réduire leur coût, leur taille et leur consommation. Pour mesurer ces variations de capacité, des interfaces de conditionnement électronique ont été développées afin d’obtenir un signal électrique exploitable tel qu’une tension, un courant, un temps, une fréquence ou directement une sortie numérique. C’est dans ce cadre que se positionne l’objectif de cette thèse ; étudier la faisabilité d’une mesure capacitive à sortie numérique à partir d’un pont actif, une architecture développée et brevetée par l’équipe Conception et Test de Microsystèmes du LIRMM pour le conditionnement de capteurs résistifs basse consommation. La conversion numérique utilisée est une modulation Sigma-Delta 1 bit du 1er ordre, relativement facile à implémenter, et donc bien adaptée à l’intégration, à la faible consommation et à la réalisation d’interfaces génériques. Pour le retour 1 bit, deux structures de contre réaction ont été proposées : une contre-réaction résistive et une capacitive. Les résultats théoriques sont comparés à des résultats de simulations et à des mesures obtenues à partir des prototypes fabriqués en technologie CMOS 0,35μm d’Austria MicroSystem (AMS).

Nowadays, capacitive sensors are widely used in the measurement of physical quantities such as displacement, humidity, pressure, etc. This wide dissemination is mainly due to the development of MEMS technologies that have reduced their cost, size and consumption. To measure these capacitance changes, sensor electronic interfaces have been developed to obtain an exploitable electrical signal such as voltage, current, time, frequency or directly a digital output. It is in this framework that the aim of this thesis is positioned ; to study the feasibility of a capacitive measurement with digital output from an active bridge, an architecture developed and patented by the Design and Test Microsystems team of LIRMM for conditioning low power resistive sensors. The digital conversion used is a one-bit first-order Sigma-Delta modulation that is relatively easy to implement, and is well adapted to integration, low power consumption and realization of generic sensor interfaces. Two feedback architectures have been proposed: a resistive feedback and a capacitive. The theoretical results are compared with the results of simulations and measurements obtained from prototypes fabricated using a 0.35μm CMOS technology from Austria MicroSystem (AMS).