Étude sur un accéléromètre MEMS à résonance en quartz à haute résolution basé sur un circuit de lecture oscillant à faible bruit

Contexte académique

Les accéléromètres à système micro-électromécanique (MEMS) ont des applications étendues dans des domaines tels que la navigation inertielle, la détection sismique, les dispositifs portables et les robots intelligents. En particulier, pour des applications comme le contrôle des satellites et les véhicules sous-marins autonomes, les mesures d’accélération à haute résolution et à faible dérive sont des indicateurs de performance critiques. Les accéléromètres à résonance MEMS modulent le signal d’accélération d’entrée à la fréquence porteuse et sortent la fréquence de résonance de l’élément sensible comme valeur mesurée, offrant un niveau de bruit plus faible que les accéléromètres à sortie d’amplitude (par exemple, les accéléromètres capacitifs MEMS). De plus, les accéléromètres à résonance présentent des avantages tels qu’une haute résolution, une large plage de mesure, une grande dynamique et une bonne adaptabilité environnementale, devenant ainsi un point chaud de recherche pour les accéléromètres MEMS à haute résolution.

Cependant, les fluctuations de la sortie d’accélération dans des conditions d’entrée statique (généralement une charge de 0 g) sont principalement dues à des facteurs environnementaux tels que les variations de température ou le bruit de fond. Bien que les tendances introduites par la température puissent être compensées par des méthodes telles que l’ajustement polynomial, les techniques de filtrage et l’optimisation structurelle, le bruit blanc introduit par le mouvement brownien du résonateur et le bruit électronique de fond est difficile à compenser, ce qui devient une contrainte clé sur la résolution de l’accéléromètre. Récemment, les accéléromètres à résonance MEMS à haute résolution fabriqués sur des plaquettes de silicium, en raison de leur petite taille, de leur faible coût et de leur compatibilité avec les procédés semi-conducteurs, sont devenus un point chaud de recherche. Cependant, le matériau silicium lui-même n’a pas d’effet de conversion électromécanique et nécessite une structure supplémentaire pour piloter et détecter le résonateur, ce qui limite sa plage linéaire et sa résolution.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont commencé à explorer l’utilisation du matériau quartz, qui possède un effet piézoélectrique naturel. Les résonateurs en quartz ont un facteur de qualité (Q) élevé, une large plage de fonctionnement linéaire et une structure cristalline stable, ce qui les rend très adaptés à la fabrication d’accéléromètres à résonance MEMS à haute résolution et à stabilité à long terme. Cependant, les effets non linéaires du résonateur en quartz et le niveau de bruit du circuit de lecture oscillant restent des facteurs clés limitant l’amélioration de leurs performances. Cet article propose une nouvelle topologie de circuit de lecture oscillant visant à améliorer la stabilité et la résolution des accéléromètres à résonance en quartz.

Source de l’article

Cet article est co-écrit par Kai Bu, Cun Li, Hong Xue, Bo Li et Yulong Zhao, auteurs de l’École d’ingénierie mécanique et du laboratoire national clé de l’Université Jiaotong de Xi’an. L’article a été publié en 2024 dans la revue Microsystems & Nanoengineering, sous le titre A 14 μHz/√Hz resolution and 32 μHz bias instability MEMS quartz resonant accelerometer with a low-noise oscillating readout circuit.

Processus de recherche

1. Conception de l’élément sensible en quartz

L’élément sensible de l’accéléromètre à résonance MEMS en quartz proposé dans cet article est composé d’une masse d’épreuve connectée à des résonateurs via une structure de levier. Lorsqu’un signal d’accélération est détecté dans la direction sensible (axe y), la masse d’épreuve exerce une force axiale sur le résonateur sous l’effet de la force d’inertie, et la structure de levier amplifie cette force, augmentant ainsi le facteur d’échelle de l’accéléromètre. Pour supprimer les interférences d’erreur en mode commun, l’élément sensible proposé utilise une structure de résonateur différentiel. Lorsqu’il est soumis à une accélération, la fréquence de résonance d’un résonateur augmente tandis que celle de l’autre diminue, et la différence entre les changements de fréquence de résonance des deux résonateurs est utilisée comme valeur de mesure de l’accélération.

2. Conception du circuit de lecture oscillant

Cet article propose un nouveau circuit de lecture oscillant à faible bruit (LNC), composé d’un front-end basé sur un amplificateur opérationnel (OPA), d’un déphaseur, d’un limiteur d’amplitude et d’un tampon. Le front-end détecte la charge de mode du résonateur en quartz et sort une tension proportionnelle à sa vitesse de mode. Le déphaseur satisfait la condition d’oscillation, et le limiteur d’amplitude renvoie l’oscillation au résonateur en quartz et définit le point de fonctionnement pour minimiser la modulation du bruit de scintillation. Les sorties des deux oscillateurs sont différenciées en fréquence par un multiplicateur pour permettre la mesure de l’accélération.

3. Conception du front-end passe-bande à faible bruit

Le front-end passe-bande proposé est composé de deux étages en cascade, un intégrateur et un différentiateur. L’intégrateur intègre la charge générée par la surface du résonateur en quartz pendant la vibration via C1, et sort une tension proportionnelle à la déformation du résonateur. Le différentiateur est utilisé pour compenser le déphasage introduit par l’intégrateur, satisfaisant la condition de phase de l’oscillation. Cette topologie élimine le compromis entre le gain, la bande passante et le bruit du front-end traditionnel à transimpédance, fournissant un gain de 14,5 m et un déphasage de 0,04° à la fréquence d’oscillation, avec un bruit de courant de référence d’entrée aussi faible que 30,5 fA/√Hz.

4. Conception du déphaseur anti-repliement

Pour satisfaire la condition de phase de l’oscillation, cet article propose un déphaseur anti-repliement composé d’un déphaseur analogique, d’un filtre anti-repliement et d’un ADC. Le déphaseur analogique est utilisé pour compenser le déphasage introduit par le front-end, et le filtre anti-repliement est utilisé pour limiter la bande passante du bruit de boucle, réduisant le bruit de repliement introduit par l’échantillonnage de l’ADC. Grâce à une plage d’hystérésis soigneusement conçue, l’ADC 1 bit sort un signal carré, pilotant le résonateur en quartz pour assurer un démarrage d’oscillation rapide et robuste.

5. Conception du limiteur d’amplitude

Pour limiter la déformation de mode du résonateur en quartz, cet article adopte une stratégie de limitation d’amplitude basée sur le signal numérique de l’ADC, limitant l’amplitude du signal de pilotage via un amplificateur avec un gain inférieur à 1, contrôlant ainsi le résonateur en quartz dans sa région de fonctionnement faiblement non linéaire. Cette stratégie réduit la consommation d’énergie du système sans introduire de bruit excessif, et son efficacité est vérifiée par des expériences.

Résultats principaux

1. Résultats des tests du front-end

Le front-end passe-bande proposé fournit un gain de 14,1 m et un déphasage de 0,04° à la fréquence d’oscillation, avec un bruit de courant de référence d’entrée aussi faible que 30,5 fA/√Hz. Les résultats des tests montrent que le bruit de tension de sortie du front-end à 35 kHz est de 430 nV/√Hz, légèrement supérieur à la valeur simulée, probablement en raison de parasites inattendus dans les connexions réelles du circuit.

2. Résultats des tests de bruit

Le LNC proposé réduit considérablement le bruit de sortie de l’accéléromètre par rapport à la topologie traditionnelle à double inverseur (DIC). À température ambiante, la sortie de l’accéléromètre avec le LNC varie dans une plage de 0,9 mHz sur 3 heures, avec un écart type de 0,1 mHz, soit une amélioration de 5,5 fois par rapport au DIC. Dans les variations de bruit de sortie sur 1 heure, l’écart type du LNC est réduit de 2,6 mHz pour le DIC à 0,3 mHz.

3. Résultats des tests de l’accéléromètre

L’accéléromètre MEMS en quartz proposé a un facteur d’échelle de 54,5 Hz/g et une non-linéarité maximale de 245 ppm pour une entrée de ±70 g. Les tests de variance d’Allan montrent que l’instabilité de biais du LNC est de 32 μHz, significativement plus faible que les 0,31 mHz du DIC. La résolution et l’instabilité de biais de l’accéléromètre sont respectivement de 0,26 μg/√Hz et 0,59 μg, avec une bande passante de 552 Hz.

Conclusion

Cet article réalise un accéléromètre à résonance MEMS en quartz différentiel avec un nouveau circuit de lecture oscillant, analyse en détail le mécanisme de modulation du bruit de phase des accéléromètres à résonance MEMS en quartz, et démontre que la performance du front-end est un facteur clé pour déterminer la stabilité et la résolution de l’accéléromètre. Le front-end passe-bande à faible bruit proposé élimine le compromis entre le gain, la bande passante et le bruit du front-end traditionnel, et les résultats des tests montrent que cette topologie fournit un gain de 14,1 m et un déphasage de 0,04° à la fréquence d’oscillation, avec un bruit de courant de référence d’entrée aussi faible que 30,5 fA/√Hz. Grâce à une excellente performance du front-end, une compensation de phase soigneusement conçue et un point de fonctionnement du résonateur, l’accéléromètre à résonance MEMS en quartz proposé atteint une résolution en fréquence de 14 μHz/√Hz et une instabilité en fréquence de 32 μHz, correspondant à une résolution en accélération de 0,26 μg/√Hz et une instabilité de biais de 0,59 μg, avec un facteur d’échelle de 54,5 Hz/g, une bande passante de 552 Hz et une plage de mesure de ±70 g, atteignant un niveau de performance de pointe.

Points forts de la recherche

1. Haute résolution et faible bruit : L’accéléromètre à résonance MEMS en quartz proposé atteint une résolution en fréquence de 14 μHz/√Hz et une instabilité en fréquence de 32 μHz, surpassant significativement les conceptions traditionnelles.
2. Nouveau circuit de lecture oscillant : Le front-end passe-bande à faible bruit proposé élimine le compromis entre le gain, la bande passante et le bruit du front-end traditionnel, offrant un gain plus élevé et un bruit plus faible.
3. Déphaseur anti-repliement : Grâce au filtre anti-repliement et à l’ADC 1 bit, le bruit de repliement est réduit, améliorant la stabilité et la résolution de l’oscillateur.
4. Stratégie de limitation d’amplitude : Une stratégie simple de limitation d’amplitude contrôle le résonateur en quartz dans sa région de fonctionnement faiblement non linéaire, réduisant la modulation du bruit de scintillation et améliorant la stabilité à long terme du système.

Valeur de la recherche

Cette recherche fournit de nouvelles idées et méthodes pour la conception d’accéléromètres à résonance MEMS en quartz à haute résolution, ayant une valeur scientifique et applicative importante. Cet accéléromètre a des perspectives d’application étendues dans des domaines tels que le contrôle des satellites, les véhicules sous-marins autonomes et la détection sismique.