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Résumé

Le capteur de pression étudié résulte de l'assemblage hybride d'une cellule sensible capacitive en technologie Silicium/Pyrex et d'un convertisseur capacité/fréquence basé sur le principe de la charge et de la décharge d'une capacité à courant constant. La modélisation de la réponse de chacune des deux parties permet d'établir la fonction de transfert du capteur. La détermination précise des différents paramètres s'effectue à partir d'une approche mixte fondée sur la simulation numérique et sur la caractérisation expérimentale de la cellule et du circuit. L'étude des comportements d'un montage inverseur et d'une architecture ratiométrique montre la faisabilité d'un capteur dans lequel la nonlinéarité et les dérives thermiques s'autocompensent en grande partie. Dans une plage de fréquence de l'ordre de dix pour-cent de la fréquence à pression nulle, le démonstrateur de capteur présente une nonlinéarité inférieure à 1 % et une dérive thermique par degré Celsius égale à deux cents millièmes. La simulation numérique indique que pour optimiser les performances du capteur ratiométrique, il faut que les deux voies de référence et de mesure soient identiques. Cet optimum peut être quasiment atteint en intégrant sur un substrat commun de silicium les deux convertisseurs. Les essais expérimentaux révèlent également des phénomènes d'interférences entre les oscillateurs véhiculés au travers des capacités de recouvrement des transistors MOS. La minimisation de ce problème peut s'obtenir en ajoutant une capacité de découplage suffisamment grande entre les oscillateurs. L'ensemble de ces résultats obtenus permet de conclure que les principes et les technologies utilisées sont adéquats pour développer une nouvelle famille de capteurs de pression miniatures relativement précis (de l'ordre de 1 % de l'étendue de mesure), peu coûteux et facilement interfaçables avec des réseaux de communication numériques.

Abstract

The pressure sensor described here is an hybrid association of a capacitive sensing cell in Silicium/Pyrex technology, and a capacitance/frequency transducer based on the charge and the discharge of a capacitor with constant current. The modelling response of each part allows us to explicit the transfer function of the sensor. Accurate evaluation of different parameters is achieve by both numerical simulation and experimental characterisation of the sensing cell and the electronic circuit. Studies on a simple and a ratiometric architecture show the feasibility of pressure sensor which is able to mainly self-compensate nonlinearity and drifts. In the range of ten percent of the offset frequency, the demonstrator nonlinearity is less than one percent and its thermal coefficient is about twenty parts of million by Celsius degree. Numerical simulations show that to optimise ratiometric sensor performances, it is necessary to use identical ways of measuring both signals : the reference one and the measure one. These optimal performances can be obtained by integrating both converters on the same silicon substrate. Experimental results also point out several problems of interference between oscillators through grid-to-channel capacitances. One way to minimise these coupling effects is to add a decoupling capacitance. All the results obtained allow us to conclude that measurement principles and the associated technologies used are adequate to develop a new family of miniature pressure sensor which can be relatively accurate (about 1% of the full scale), cheap and easily connected with numeric communication networks.

Mots-Clés / Keywords

Capteur; Pression; Capacitif; Circuit de traitement; Convertisseur capacité/fréquence; Modélisation; Micro-électronique; Microsystèmes; Sensors; Pressure; Capacitive; Transducer; Capacitance/Frequency Converter; Modelling; Micro-electronic; Microsystems;