Cours « Capteurs

Cours « Capteurs »septembre 2010Raoul Herzograoul.herzog@heig-vd.chbureau C01atél : 024 557 61 93slide 1

Objectifs du cours de capteurs1)) Connaître qquelquesqprincipespp pphysiquesy qde différents capteursp2) Connaître quelques principes du conditionnement du signal3) Connaître les caractéristiques et les limitations de différentscapteurspoint de vue utilisateur : bon choix du capteurpppour une applicationppconcrète savoir utiliser un capteurpointi t ded vue développeurdé l: concevoir et développer un capteurslide 2

Différents aspects dans les capteursprincipes physiquesexploitésiéconditionnementditit dud signaliltransport de l‘informationbus de capteurstechnologie, produitspoint de vue utilisateurchoix du capteurslide 3

motivation (1)Une voiture moderne comprend une centaine de capteurs !Capteurs liés au- moteur et système de traction,- au confort,- à l‘environnement,- et surtout à la sécuritéQuelle: BMW AGObjectif des constructeurs d‘automobiles : zéro accidentsEviter tout accident, même si le conducteur est inattentif et/ou pétulant.slide 4

capteurs pour la sécurité des voitures reconnaissance de piétonsp distance entre les voitures sur l‘autoroutecapteur de pression des pneus transmission sans filslide 5

motivation (2)Il n‘y a plus de constructeur d‘automobile suisse, mais .La Suisse est très forte dans le domaine des capteurs.(exemples d‘entreprises suisses : Posic, LEM, Vibromètre, Sensirion,Baumer, Kistler, .)L capteurs : un domaineLesdi de haute technologie de multi-technologiepphysique,y q , chimie,, matériaux,, mécanique,q , électronique,q , traitement dusignal, « intelligence », techniques de miniaturisation, .slide 6

motivation (3)Les capteurs : un domaine innovateur dud conditionnementdi id signalduilau capteur « intelligent » p. ex. numérisation dans le capteurp. ex. compensationpdes dérives thermiquesq p p. ex. autocalibration p.p exex. transmission sans filminiaturisation sur le chipp :MEMSmicro electromechanical systemsslide 7

classification des mesurandes mécaniqueqdéplacement, vitesse, accélération, force, pression, masse, débit, . électriquecourant, charge, impédance, . thermiquethitempérature, flux thermique, . magnétiquechamp magnétique, perméabilité, . radiationlumière visible,visible rayons XX, radioactivitéradioactivité, . bio / chimiqueh idi é détectionhumidité,dé i ded gaz, sucre, hormones,hparamètresèvitauxislide 8

Généralités : capteurs et chaînes d‘acquisitionmesurandetyp. grandeurnon-électriqueélément sensible(transducteur)Conditionneurtraitement dessignauxsignalélectriqueexploitablegrandeurs d‘influence(perturbations)Idéalement, le signal de sortie du capteur devrait être une image fidèle dumesurande,, mais .slide 9

problèmes . le signal fourni par le capteur dépendaussi des grandeurs d‘influencesd influences (p.(p ex.ex dérives thermiquesthermiques,bruit de mesure, etc.). une variation du mesurande provoque une variation retardée du signalde sortie (temps de réponse fini). le fait d‘introduire un organe de mesure peut déjà changerl‘environnement, et le mesurande. Le but réaliste consiste à avoir une image du mesurandeaussii fidèlefidèl que possibleibl (mieux( i: aussii fidèlefidèl que nécessaireéi !)slide 10

grandeurs d‘influence, exemples température ambiante pression, accélération, vibrations humidité champsp magnétiquesgq tension d‘alimentation lumière ambiantePossibilités pour réduire l‘effet nocif des grandeurs d‘influence : blindage,bli diisolementlt stabiliser les grandeurs d‘influence à des valeurs connues, eté létalonnerlel capteur compenser les grandeurs d‘influence (p.ex. montage différentiel)slide 11

exemple « micro-capteur intelligent »capacité miniaturisée avec un diélectrique en polymère hydrophiletechnologieg CMOSchangement d‘humidité changement de capacité signal utileavec compensation des grandeurs dd‘influenceinfluence (température)et calibration automatiqueslide 12

Courbe d‘étalonnage statique, cas idéalréponse du capteurs F (m)nécessite une mesure de référencedu mesurande !mesurandesensibilité du capteur en régime statique: sS m mislide 13(pente locale)

linéaritéréponsepdu capteurp(droite de régression)mesurande mLa linéarité s‘exprime en %, c‘est l‘erreur relative maximaleentre la droite de régression et la caractéristique réelle.slide 14

définition : résolution, étendue de la mesureLa résolutionLé l ti d‘und‘ capteurtestt lal plusl petitetit variationi ti dud mesurandedque le capteur est capable de décéler (à ne pas confondre avec laprécision).é ii )étendue de la mesure : zône nominale plage nominale du mesurande (fonctionnement normal) zône de non-détériorationhors specs,p , ne fonctionne pplus,, mais ppas de destruction„absolute maximum ratings“ zône de non-destructionmodification permanente des caractéristiques !slide 15

rapidité d‘un capteur bande passantefréquence de coupure où la sensibilité a diminué de -3dB temps de réponsesaut du mesurande : le temps nécessaire pour que le signal du capteurarrive dans une fourchette de 5% de la valeur finale bande passante et temps de réponse sont liés.pour un système linéaire :Tréppslide 163 3 2 fc

erreurs de mesure erreurs systématiquesyq(p.ex. dérives, viellissement, mauvaise utilisation, etc erreurs accidentelles (aléatoires)p.ex. bruit, parasites, etcslide 17

erreurs de mesureslide 18

Caractéristiques statistiques d‘un capteurPrécision Fidélité (répétabilité) Justesseslide 19

Choix du capteur nature du mesurande, capteur basé sur quel principe physique ? performances (résolution,(résolution précision,précision plage de mesure,mesure .)) ? caractéristiques d‘environnement, grandeurs d‘influence ? encombrement ? pprix ? fiabilité (MTBF : Mean Time Between Failures) ?MTBF 1 : taux de défaillance N déf1 N N ppopp tslide 20

« courbe de baignoire » : taux de sementdéfaillances aléatoirestemps (vie du produit)slide 21

éléments fonctionnels d‘un capteurénergie d‘excitationmesurandemodificationde l‘élément sensibleélémentsensiblesignal électriquetransducteurgrandeurs d‘influence(perturbations)slide 22énergie d‘alimentationsignalutilisabletili blconditionneur

exemples d‘éléments sensiblesaccéléromètre MEMSslide 23

exemples d‘éléments sensiblesslide 24

exemples d‘éléments sensiblesslide 25

exemples d‘éléments sensibles polymère qui change ses propriétés électriques en fonction del‘h idi é ambiantel‘humiditébi jauge de contrainte fil chaud pour mesurer la vitesse d‘un écoulement de fluide bilame, thermistanceslide 26

Capteurs (transducteurs) passifs capteurs résistifs capteurs inductifs capteurs capacitifsCapteurs (transducteurs) actifs capteurs piézoélectriques capteurstttachymétriquesh ét islide 27

Capteurs résistifs capteurs potentiométriquesmesure dud déplacementdé lt linéaireli é i / angulairel i jauges de déformation / contraintemesure de déformation, force / effort, couple, pression capteurs thermiquesmesure de température et de débit capteur dd‘humiditéhumiditéslide 28

rappel : structure de la matièreInfluence du nombre d’électrons contenus dans la couche de valence1 2 ou 3 électrons1,él tCouchedevalence ?4 5,4,5 6,6 7 ou 8 électronsél t4 électrons(quelques cas)Les électronslibres sautentd’un atome àl’autreDopage?nonCapture desélectrons libresouiC d tConducteurSemiSemiconducteursslide 29I l tIsolant

capteur potentiométrique (bas de gamme)slide 30

linéaritéslide 31

résolution limitée du potentiomètre bobinéslide 32

inconvéniants des capteurs potentiométriques contact du curseur usure, durée de vie limitée frottement (finesse) vitesse limitée coefficient de température bruit du potentiomètre résolution limitéeslide 33

écran tactile résistifslide 34

Effet piézorésistif(à ne pas confondre avec piézoélectrique)d dV C VC : constante de BridgmanC typ.yp 1.13 . 1.15 ppour des jjaugesg métalliquesqC typ. 100 pour les jauges à semiconducteurslide 35

facteur de gauge (sensibilité relative)lR ALes 3 pparamètres l,, , et A changentgsimultanément,, et les effets se rajoutentjAprès linéarisation, on trouve :dRdl (1 2 C (1 2 )) Rldéformation changementhrelatifl ifde la résistancefacteur de jaugeslide 36

jauge de contrainteslide 37

Jauge de contrainte collée sur unestructure mécaniqueslide 38

jauge de contrainte collée sur une structuremécanique (p.ex. barre de traction)permet aussi de mesurer des forcescorps d‘épreuve: mesurande primaireloi de Hook :A : section du corps dd‘épreuveépreuveE : module de Youngmesurande secondaireslide 39

contraainte [N/m2] [Pa]]caractéristique déformation / contrainterupturetzône à déformation plastique irréversiblezône élastique loi de Hook2% maxdéformation L / Lslide 40

Grandeurs d‘influence températureinfluence sur résistivité & différence dans les coefficients de dilatation jauges à semiconducteurs sont très sensibles à la températureautoéchauffement courant de mesure typ. limité à 20 mA pourjauges métalliques.éta ques. tension thermoélectrique à la jonction de 2 métaux différents(élé(élémentt thermocouple)thl )slide 41

différentes configurations en pont de Wheatstonebuts : augmenter la sensibilité augmenter la linéarité compenser les dérives thermiquesp. ex.R0 (1 x)R0 (1 x)slide 42F

caractéristiques typiques des gaugesmétalliquesemiconducteurplage de mesure10-7 . 0.0410-9 . 0.003facteur de gauge1.8 . 2.3550 . 200résistance 120, 350, ., 5‘0001‘000, ., 5‘000tolérance de la résistance 0.1% . 0.2%taille, mm0.4 . 150standard : 3 . 6slide 431% . 2%1 . 5

capteurs de force piézorésistifs basés sur semiconducteursd tF 0capteur miniature de force, circuit intégré SMDincorpore un pont de Wheatstoneslide 44

exemple de produits industrielsslide 45

capteur de force 6 axes basé sur jauges de contraintemesure les forces Fx, Fy, Fz, et les couples Tx, Ty, Tzapplications p.ex. en robotiqueslide 46

capteur de force pour mesurer la force de retenue dela ceinture de sécuritéslide 47

application atomic force microscope „AFM“slide 48

mesure de pression différentielleélément sensible : diaphragme déformableslide 49

autre application : accéléromètreélément sensible masse sismique gauge de forceslide 50

modélisation d‘un capteur d‘accélérationboîtiermesure indirecte de l‘accélérationmpar la déformation de l‘élément de supportmasse sismiquede la masse sismiqueqkdbuts :accél : trouvertlal bande passante dud capteurt!mesurande comment dimensionner les éléments sensibles pour que le capteurdélivre un signal de sortie qui reproduit le plus fidèlement possiblel‘allure du mesurande ?slide 51

Capteurs thermiquesslide 52

sondes en platine fil de platine (état de pureté : 99.999 %) enroulé sur un support précis, mais très cher déposition film mince de platine, 1 m d‘épaisseur sur support réponse rapide, moins cherR(T) R0 (1 T) : comportement linéairePT100, PT1000précision typique : 0.1% . 1% : typ.typ 0.3850 385 % / Ccomparaison : une résistance de précision a un coefficient detempérat re de 50 ppm 50 * 10-6 (80 x moins qu‘unetempératureq ‘ ne sonde de PT)slide 53

plage de mesuresonde platine : typ. de -200 C . 650 C, voire pluspour les très hautes températures, on utilise plutôt le tungstensymboles IEC normalisés :slide 54

thermistances à semiconducteurcomportement nonlinéaire, souvent de type exponentiel PTC ( positive temperature coefficient) NTC ( negative temperature coefficient) CTR (( critical temperature resistance)slide 55

allures typiquesslide 56

Objectifs du cours de capteurs 1) . miniaturisation sur le chi p : MEMS micro electromechanical systems slide 7 micro electromechanical systems. classification des mesurandes . le temps nécessaire pour que le signal du cap