Contribution à l'intégration de centrales inertielles : outils d'aide à la conception et à l'optimisation

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Sous la direction de Claude Pellet, Renaud Briand
Thèse soutenue le 24 novembre 2008: Bordeaux 1
Le travail présenté dans ce mémoire concerne la réalisation d’un microsystème intégrant une centrale inertielle permettant la détection de mouvements. Le microsystème étudié est composé d’un accéléromètre capacitif associé à son électronique de traitement. L’accéléromètre capacitif a conduit à l’élaboration d’un outil logiciel afin de le pré-dimensionner. Ce pré-dimensionnement a été effectué en fonction des spécifications de l’application et de la technologie de fabrication. Cet outil intègre des modèles fluidiques et électrostatiques en vue de calculer des paramètres du modèle de l’accéléromètre pour une simulation système. L’électronique de traitement de l’accéléromètre capacitif a été conçue autour d’un convertisseur ”Sigma-Delta”. L’architecture ”Sigma-Delta” a nécessité des modifications pour pouvoir être adaptée au capteur. Nous avons alors développé, sous ”Matlab-Simulink”, une bibliothèque de composants permettant d’ajuster le fonctionnement du convertisseur. Une fois l’architecture optimisée et les caractéristiques des composants connues, la conception de l’architecture ”Sigma-Delta” est ainsi réalisable sous le logiciel CADENCE.
-Microsystème
-Micro-capteur
-MEMS
-Sigma Delta
-Matlab-simulink
-Accélèrometre
-Basse tension
The aim of this thesis is the realisation of microsystem for movements detection. This microsystem is composed of capacitive accelerometers and of their electronics. The conception of capacitive accelerometers has induced developement of a software for the first dimensionnement of sensors. This software computes parameters of capacitive accelerometers thanks to electrostatic models, flow models, specifications of application and fabrication process. The electronics of capacitive accelerometer is a ”Sigma-Delta” convertor. The adaptation of convertor leads to developement of components libraries for ”Matlab-Simulink”. The simulation systems allows to fit parametres convertor for the application. After that,the conception of convertor under CADENCE software is then possible.
-Microsystems
-Sensor
-Sigma delta
-Low voltage
-MEMS
-Matlab-simulink
-accelerometer
Source: http://www.theses.fr/2008BOR13673/document
Publié le : mardi 25 octobre 2011
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N° d’ordre :
´THESE
´ ´PRESENTEE A
´UNIVERSITE BORDEAUX 1
´ ´ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGENIEUR
Par ARRIJURIA Olivier
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
´ ´ ´SPECIALITE :Electronique
` ´CONTRIBUTION A L’INTEGRATION DE CENTRALES
INERTIELLES:
` `OUTILS D’AIDE A LA CONCEPTION ET A L’OPTIMISATION
These` dirigee´ par PELLET, Claude
et co-encadree´ par BRIAND, Renaud
Soutenue le 24 novembre 2008
Devant la commission d’examen formee´ de :
M.DEVAL, Yann Professeur des Universites,´ ENSEIRB Bordeaux President´ du Jury
M. BASROUR, Skandar des Universites,´ Polytechnique Grenoble Examinateur
M.BRIAND, Renaud Enseignant-chercheur, ESTIA-Recherche Co-directeur
M. MARTINEZ, Augustin Professeur des Universites,´ INSA Toulouse Rapporteur
´M. NOUET, Pascal des Universites, Polytechnique Montpellier
M. PELLET, Claude Professeur des Universites,´ IMS-IUT Bordeaux1 Directeur de these`
Universite´ Bordeaux 1 - Les Sciences et les Technologies au service de l’Homme et de l’environnement2Remerciements
En premier lieu, je tiens a remercier mes parents qui m’ont appris ce qu’est le travail.
Je remercie egalement mes freres avec lesquels je partage de nombreux souvenirs comme
la fusee de soda et les nombreuses parties de jeu video au milieu de la nuit.
Je remercie les quelques enseignants qui ont reussi a me transmettre leur passion,
notamment les professeurs du lycee professionnel et technique de Saint Joseph situe a
Hasparen qui, malgre les dicultes a enseigner, nous ont transmis un grand savoir.
Je tiens egalement a saluer tous mes collegues de l’ecole d’ingenieur ESTIA a Bidart
avec lesquels j’ai passe de tres bons moments. J’ai apprecie tout particulierement les soi-
rees d’origami et les sorties au cinema qui se terminent par une corvee de vaisselle. Je
remercie egalement Jean Roch Guiresse qui m’a aide a poursuivre cette these.
Je remercie tous mes amis, aussi bien proches que lointains, que j’ai eu le privilege
de rencontrer lors de mes etudes sans oublier tous les membres du football club de Saint
Esprit a Bayonne.
Enn, je remercie les hasards de la vie qui m’ont fait croiser le chemin d’une petite
comedienne, du moins en taille, dont la specialite est de parodier Mickael Jakson (Beat
it). Elle est, selon le cas, mon Ying ou mon Yang. Elle est surtout ma condente, mon
eternel soutien sans qui je n’aurais su^rement jamais soutenu ces travaux. Avec elle, j’ai
eu la joie de realiser mon r^eve le plus cher, celui de donner la vie.
Je tiens egalement a dedier ces quelques mots a notre lle Emma qui nous procure
tant de bonheur ainsi qu’a nos prochains enfants pour toutes les joies a venir.
iiiTable des matieres
Introduction 1
1 La centrale inertielle et les capteurs associes (etat de l’art) 3
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 La centrale inertielle et ses capteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1 Capteurs inertiels de type accelerometre . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1.1 Accelerometre capacitif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1.2 Accelerometre optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1.3 Accelerometre piezoresistif . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1.4 Accelerometre piezojonction . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1.5 Accelerometre piezoelectrique "Electrostatically levitated" 7
1.2.1.6 Accelerometre thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1.7 Accelerometre a e et tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1.8 Accelerometre vibrant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1.9 Accelerometre a e et magnetique . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2 Capteurs inertiels de type gyroscope . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2.1 Gyroscopes vibrants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.2.2 Gyroscopes optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Interface et electronique de traitement pour capteurs inertiels . . . . . . . 11
1.3.1 Interfaces capteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1.1 Amplicateur a trans-impedance . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1.2 Amplicateur de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.1.3 Interface a reseau d’impedance . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.1.4 Pont de Wheatstone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.2 Traitement electronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.2.1 Traitement electronique d’accelerometres et gyrometres . . 17
1.3.3 Conversion analogique numerique et particularite d’une cha^ne de
traitement sigma delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.3.1 L’echantillonneur bloqueur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.3.2 Le quanti

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