Conception d’un circuit d’instrumentation hautes performances dédié à un accéléromètre trois-axes sous-amorti, pour le marché de l’électronique grand public

International audienceRecently, consumer electronics industry has known a spectacular growth that would havenot been possible without pushing the integration barrier further and further. Micro ElectroMechanical Systems (MEMS) inertial sensors (e.g. accelerometers, gyroscopes) provide highperformance, low power, low die cost solutions and are, nowadays, embedded in most consumerapplications.In addition, the sensors fusion has become a new trend and combo sensors are gaininggrowing popularity since the co-integration of a three-axis MEMS accelerometer and a three-axisMEMS gyroscope provides complete navigation information. The resulting device is an Inertialmeasurement unit (IMU) able to sense multiple Degrees of Freedom (DoF).Nevertheless, the performances of the accelerometers and the gyroscopes are conditionedby the MEMS cavity pressure: the accelerometer is usually a damped system functioning under anatmospheric pressure while the gyroscope is a highly resonant system. Thus, to conceive a combosensor, a unique low cavity pressure is required. The integration of both transducers within thesame low pressure cavity necessitates a method to control and reduce the ringing phenomena byincreasing the damping factor of the MEMS accelerometer. Consequently, the aim of the thesis isthe design of an analog front-end interface able to sense and control an underdamped three-axisMEMS accelerometer.This work proposes a novel closed-loop accelerometer interface achieving low powerconsumption. The design challenge consists in finding a trade-off between the sampling frequency,the settling time and the circuit complexity since the sensor excitation plates are multiplexedbetween the measurement and the damping phases. In this context, a patented damping sequence(simultaneous damping) has been conceived to improve the damping efficiency over the state ofthe art approach performances (successive damping).To investigate the feasibility of the novel electrostatic damping control architecture, severalmathematical models have been developed and the settling time method is used to assess thedamping efficiency. Moreover, a new method that uses the multirate signal processing theory andallows the system stability study has been developed. This very method is used to conclude on theloop stability for a certain sampling frequency and loop gain value.Next, a CMOS implementation of the entire accelerometer signal chain is designed. Thefunctioning has been validated and the block may be further integrated within an ASIC. Finally,a discrete components system is designed to experimentally validate the simultaneous dampingapproach.L’intégration de plusieurs capteurs inertiels au sein d’un même dispositif de type MEMSafin de pouvoir estimer plusieurs degrés de liberté devient un enjeu important pour le marché del’électronique grand public à cause de l’augmentation et de la popularité croissante desapplications embarquées.Aujourd’hui, les efforts d'intégration se concentrent autour de la réduction de la taille, ducoût et de la puissance consommée. Dans ce contexte, la co-intégration d’un accéléromètre troisaxesavec un gyromètre trois-axes est cohérente avec la quête conjointe de ces trois objectifs.Toutefois, cette co-intégration doit s’opérer dans une même cavité basse pression afin de préserverun facteur de qualité élevé nécessaire au bon fonctionnement du gyromètre. Dans cette optique, unnouveau système de contrôle, qui utilise le principe de l’amortissement électrostatique, a été conçupour permettre l’utilisation d’un accéléromètre sous-amorti naturellement. Le principe utilisé pourcontrôler l’accéléromètre est d’appliquer dans la contre-réaction une force électrostatique généréeà partir de l’estimation de la vitesse du MEMS. Cette technique permet d’augmenter le facteurd’amortissement et de diminuer le temps d’établissement de l’accéléromètre.L’architecture proposée met en oeuvre une méthode novatrice pour détecter et contrôler lemouvement d’un accéléromètre capacitif en technologie MEMS selon trois degrés de liberté : x, yet z. L'accélération externe appliquée au capteur peut être lue en utilisant la variation de capacitéqui apparaît lorsque la masse se déplace. Lors de la phase de mesure, quand une tension estappliquée sur les électrodes du MEMS, une variation de charge est appliquée à l’entrée del’amplificateur de charge (Charge-to-Voltage : C2V). La particularité de cette architecture est quele C2V est partagé entre les trois axes, ce qui permet une réduction de surface et de puissanceconsommée. Cependant, étant donné que le circuit ainsi que l’électrode mobile (commune auxtrois axes du MEMS) sont partagés, on ne peut mesurer qu’un seul axe à la fois.Ainsi, pendant la phase d'amortissement, une tension de commande, calculée pendant lesphases de mesure précédentes, est appliquée sur les électrodes d'excitation du MEMS. Cettetension de commande représente la différence entre deux échantillons successifs de la tension desortie du C2V et elle est mémorisée et appliquée trois fois sur les électrodes d’excitation pendantla même période d’échantillonnage.Afin d’étudier la faisabilité de cette technique, des modèles mathématiques, Matlab-Simulink et VerilogA ont été développés. Le principe de fonctionnement basé sur l’amortissementélectrostatique simultané a été validé grâce à ces modèles. Deux approches consécutives ont étéconsidérées pour valider expérimentalement cette nouvelle technique : dans un premier tempsl’implémentation du circuit en éléments discrets associé à un accéléromètre sous vide estprésentée. En perspective, un accéléromètre sera intégré dans la même cavité qu’un gyromètre, lescapteurs étant instrumentés à l’aide de circuits CMOS intégrés. Dans cette cadre, la conception entechnologie CMOS 0.18μm de l’interface analogique d’amortissement est présentée et validée parsimulation dans le manuscrit