| Titre : | Modélisation et Conception d'Interfaces Faible Bruit pour Capteurs Thermiques Micro-Usinés : Application aux Accéléromètres Convectifs | | Type de document : | texte imprimé | | Auteurs : | Olivier LEMAN, Auteur | | Année de publication : | 2009 | | Langues : | Français (fre) | | Tags : | MICROSYSTEME SIGMA-DELTA INTERFACE ACCELEROMETRE CONVECTIF CMOS GENIE INFORMATIQUE, AUTOMATIQUE ET TRAITEMENT DU SIGNAL | | Index. décimale : | THE Thèses de doctorat | | Résumé : | Des micro-capteurs peuvent être réalisés sur un circuit intégré CMOS standard par micro-usinage par la face avant (FSBM). Cette technologie non-optimisée pour réaliser des capteurs occasionne une sensibilité faible, mais permet un bon rapport signal-à-bruit, si bien qu'une électronique d'interface à fort gain peut compenser ce défaut de sensibilité. Néanmoins la technologie CMOS est caractérisée par un fort bruit, ce qui pose des défis pour l'intégration d'une électronique de conditionnement du signal. Ce travail décrit la modélisation d'un accéléromètre thermique convectif CMOS-FSBM, ainsi que le développement d'architectures d'interface CMOS faible bruit. Un modèle analytique du capteur est tout d'abord élaboré. Sur cette base, deux modèles de simulation sont mis en œuvre, pour la simulation de systèmes électroniques complets et pour la simulation de schémas-blocs, ils sont la base des développements d'interfaces capteur. Un amplificateur faible bruit à fort gain est tout d'abord mis en oeuvre. Un bruit proche de l'optimum du capteur est obtenu par modulation du signal. Cependant la bande-passante de cet accéléromètre est limitée par la technologie de micro-usinage. Une architecture à contre-réaction est donc envisagée. Une architecture à contre-réaction par impulsions appelée " modulateur Sigma-Delta thermique " est retenue, elle réalise en outre la conversion analogique-numérique du signal. Une amélioration de la bande-passante est observée expérimentalement, et de manière générale tout au long des travaux, les modèles et les démonstrateurs expérimentaux présentent un comportement très proche. Ceci valide l'approche de conception basée sur des modèles.
Micro-sensors can be built on a standard CMOS integrated circuit by Front-Side Bulk Micro-machining (FSBM). This non-optimized sensor technology leads to a low sensitivity but allows for a good signal-to-noise ratio, hence an interface electronic system with high gain can compensate the low sensitivity. Nevertheless the CMOS technology is plagued with a high noise, this drives the implementation of the CMOS conditioning electronics challenging. This work handles about the modelling of a CMOS-FSBM thermal convective accelerometer, and the design of low-noise CMOS interface systems. First a generic analytical model of the sensor is developed; it serves as a basis for two simulation models, respectively intended for high-level system design and electronic system validation. A low-noise, high gain amplifier is first implemented. A noise floor close to the sensor intrinsic noise is reached by signal modulation. Nevertheless the bandwidth of this accelerometer is limited by the micro-machining technology. In order to address this limitation, closed-loop readout was investigated. An architecture with pulsed feedback so-called "thermal Sigma-Delta modulator" was implemented, in addition this system achieves the direct conversion of the signal to the digital domain. An increase in bandwidth was observed experimentally and in general throughout the works, simulation models and experimental demonstrators have displayed a very similar behaviour. This validates the model-based design approach. | | Directeur(s) de thèse : | NOUET P. | | Co-directeur(s) de thèse : | LATORRE L. | | Rapporteur(s) : | O'CONNOR I.;JUILLARD J. | | Examinateur(s) : | HEBRARD L.;CONDEMINE C.;MAILLY F.;FOUCARAN A. | | Date de soutenance : | 11/09/2009 |
Modélisation et Conception d'Interfaces Faible Bruit pour Capteurs Thermiques Micro-Usinés : Application aux Accéléromètres Convectifs [texte imprimé] / Olivier LEMAN, Auteur . - 2009. Langues : Français ( fre) | Tags : | MICROSYSTEME SIGMA-DELTA INTERFACE ACCELEROMETRE CONVECTIF CMOS GENIE INFORMATIQUE, AUTOMATIQUE ET TRAITEMENT DU SIGNAL | | Index. décimale : | THE Thèses de doctorat | | Résumé : | Des micro-capteurs peuvent être réalisés sur un circuit intégré CMOS standard par micro-usinage par la face avant (FSBM). Cette technologie non-optimisée pour réaliser des capteurs occasionne une sensibilité faible, mais permet un bon rapport signal-à-bruit, si bien qu'une électronique d'interface à fort gain peut compenser ce défaut de sensibilité. Néanmoins la technologie CMOS est caractérisée par un fort bruit, ce qui pose des défis pour l'intégration d'une électronique de conditionnement du signal. Ce travail décrit la modélisation d'un accéléromètre thermique convectif CMOS-FSBM, ainsi que le développement d'architectures d'interface CMOS faible bruit. Un modèle analytique du capteur est tout d'abord élaboré. Sur cette base, deux modèles de simulation sont mis en œuvre, pour la simulation de systèmes électroniques complets et pour la simulation de schémas-blocs, ils sont la base des développements d'interfaces capteur. Un amplificateur faible bruit à fort gain est tout d'abord mis en oeuvre. Un bruit proche de l'optimum du capteur est obtenu par modulation du signal. Cependant la bande-passante de cet accéléromètre est limitée par la technologie de micro-usinage. Une architecture à contre-réaction est donc envisagée. Une architecture à contre-réaction par impulsions appelée " modulateur Sigma-Delta thermique " est retenue, elle réalise en outre la conversion analogique-numérique du signal. Une amélioration de la bande-passante est observée expérimentalement, et de manière générale tout au long des travaux, les modèles et les démonstrateurs expérimentaux présentent un comportement très proche. Ceci valide l'approche de conception basée sur des modèles.
Micro-sensors can be built on a standard CMOS integrated circuit by Front-Side Bulk Micro-machining (FSBM). This non-optimized sensor technology leads to a low sensitivity but allows for a good signal-to-noise ratio, hence an interface electronic system with high gain can compensate the low sensitivity. Nevertheless the CMOS technology is plagued with a high noise, this drives the implementation of the CMOS conditioning electronics challenging. This work handles about the modelling of a CMOS-FSBM thermal convective accelerometer, and the design of low-noise CMOS interface systems. First a generic analytical model of the sensor is developed; it serves as a basis for two simulation models, respectively intended for high-level system design and electronic system validation. A low-noise, high gain amplifier is first implemented. A noise floor close to the sensor intrinsic noise is reached by signal modulation. Nevertheless the bandwidth of this accelerometer is limited by the micro-machining technology. In order to address this limitation, closed-loop readout was investigated. An architecture with pulsed feedback so-called "thermal Sigma-Delta modulator" was implemented, in addition this system achieves the direct conversion of the signal to the digital domain. An increase in bandwidth was observed experimentally and in general throughout the works, simulation models and experimental demonstrators have displayed a very similar behaviour. This validates the model-based design approach. | | Directeur(s) de thèse : | NOUET P. | | Co-directeur(s) de thèse : | LATORRE L. | | Rapporteur(s) : | O'CONNOR I.;JUILLARD J. | | Examinateur(s) : | HEBRARD L.;CONDEMINE C.;MAILLY F.;FOUCARAN A. | | Date de soutenance : | 11/09/2009 |
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