Etude et conception d’un système intégré pour la calibration automatique des dispersions au sein d’une matrice de transducteurs et application à des matrices de PMUTs

Publié le : 15 juillet 2019

Le but de la thèse est d’étudier et de concevoir un système électronique intégré dédié à la compensation automatique et continue des dispersions au sein d’une matrice de transducteur en technologie MEMS (Microelectromechanical Systems).

Avec la dissémination et l’expansion continue de l’IoT (Internet of Things) et des CPS (Cyber-Physical Systems), les interfaces homme-machine et machine-machine nécessitent des capteurs de plus en plus performant et sophistiqués. En plus des gains en coût, fiabilité, encombrement et consommation, les transducteurs à technologie MEMS permettent aux capteurs d’embarquer toujours plus d’intelligence dans leur front-end électronique. Ils permettent aussi des configurations topologiques innovantes donnant accès à des gammes de mesure non adressables par leurs pendants discrets.

En métrologie, l’agencement en matrices des transducteurs permet de réaliser une discrétisation spatiale des surfaces de transduction et d’améliorer les rendements et précisions de mesures (détecteur de gaz, spectrométrie de masses, distribution de pressions, …). En imagerie et communication, les matrices de transducteurs permettent d’émettre et de recevoir des faisceaux d’ondes électromagnétiques ou acoustiques (échographie, radar, sonar, télécommunication …).

Malgré les progrès technologiques considérables dont bénéficient continuellement les technologies MEMS, certaines exigences applicatives se trouvent au-delà des performances intrinsèques qu’elles offrent. Il est alors nécessaire de mettre en œuvre des dispositifs de correction des biais introduits à la fabrication ou évoluant avec les conditions d’opération.

L’évaluation et la compensation de ces erreurs nécessitent la mise en œuvre coûteuse de processus de calibration en laboratoire de test incompatible avec une mise en production massive, demandant la caractérisation des dispositifs à corriger et leurs interactions avec un milieu de mesure maitrisé.

L’objectif de cette thèse est d’aboutir à une alternative électronique de diagnostique intégré, un BIST (Built-In Self-Test) électromécanique spécifique aux capteurs matricés, associé à un système de correction automatique mixte qui opérera en cohabitation avec les fonctions principales de l’interface-capteur.

Le cas applicatif proposé est celui des matrices de PMUTs (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer). Ces dispositifs proposent des alternatives et des solutions complémentaires aux capteurs électromagnétiques pour la détection et localisation [1], la reconnaissance de geste [2] ou encore la détection de signaux de commande de sortie de veille [3]. Pour la majeure partie des applications, ces transducteurs résonants opèrent en émission/réception (TX/RX) et nécessitent d’être actionnés à leur fréquence de résonance afin d’optimiser la puissance de transmission. Le faisceau d’onde émis et reçu est mis en forme et orienté par commandes de phases.

La présence d’erreurs et de dispersion dans les caractéristiques des PMUTs génère des biais dans leur fréquence de résonance, leur gain et leur facteur de qualité, induisant des pertes et des distorsions dans les faisceaux d’ondes émis et reçus. Par exemple, quelques pourcents de mismatch sur la raideur mécanique des transducteurs peuvent conduire à plusieurs dizaines de pourcent de perte sur la puissance acoustique transmise à une cible.

Dans un premier temps, le doctorant se familiarisera avec les grandeurs et phénomènes physiques caractérisant les matrices de PMUTs en se basant sur un modèle analytique développé au sein du laboratoire d’accueil. Il pourra ainsi appréhender les sensibilités de ces capteurs et leur impact sur les puissances et directivités des faisceaux d’ondes.

Il définira ensuite les méthodes et architectures électroniques qui permettront au système de converger vers les conditions de fonctionnement optimales, en identifiant par exemple la fréquence de résonance moyenne de la matrice ainsi que les coefficients de corrections en phase et gain à attribuer à chaque transducteur.

Les choix d’architecture et d’implémentation doivent permettre au système de s’adapter aux dispersions et à leurs dérives de manière continue et autonome sans perturber les fonctions de mesures principales.

La solution retenue sera implémentée et validée dans un environnement de conception mixte pour aboutir à un démonstrateur fonctionnel.

[1] Przybyla, R. J., Tang, H. -., Guedes, A., Shelton, S. E., Horsley, D. A., & Boser, B. E. (2015). 3D ultrasonic rangefinder on a chip. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 50(1), 320-334.

[2] Ling, K., Dai, H., Liu, Y., & Liu, A. X. (2018). Ultragesture: Fine-grained gesture sensing and recognition. Paper presented at the 2018 15th Annual IEEE International Conference on Sensing, Communication, and Networking, SECON 2018, 1-9.

[3] Yadav, K., Kymissis, I., & Kinget, P. R. (2013). A 4.4-µ W wake-up receiver using ultrasound data. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 48(3), 649-660.

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