Un système de mesure dédié aux essais de fiabilité de résonateurs MEMS

Balázs Görög, Robert Bosch Kft.

"Le système doit déterminer l'amplitude de flèche exacte à laquelle se produit la rupture, et mesurer avec précision le nombre de cycles répétés jusqu'à l'endommagement en fatigue."

- Balázs Görög, Robert Bosch Kft.

Le défi:

Développer un instrument capable de contrôler et de mesurer le comportement de plusieurs structures de résonateurs MEMS afin de les soumettre à des essais de rupture en fatigue et quasi-statiques.

La solution​:

Utiliser le système sur module (SOM) sbRIO-9651 en tant qu'unité de traitement compacte et l'associer aux périphériques numériques et aux frontaux analogiques adéquats pour créer des cartes d'acquisition pouvant être installées dans une baie de mesure en vue d'effectuer des essais parallèles de longue durée sur plusieurs unités.

Auteur(s):

Balázs Görög - Robert Bosch Kft.
László Scherman - Robert Bosch Kft.
Kálmán Benjámin Szőke - Robert Bosch Kft.

 

 

Introduction

En 2005, le groupe Bosch a établi son site Engineering Center Budapest en Hongrie, où sont développés les divers composants mécaniques, les unités de commande électroniques, les tableaux de bord et les systèmes d'aide à la conduite automobiles. Le département ESI (Engineering Sensors for Internal customers) se concentre quasi-exclusivement sur les capteurs microélectromécaniques (MEMS) de pression, d'accélération et de vitesse de lacet, présents dans les unités de commande électroniques de véhicules et d'autres produits grand public.

 

Les différents procédés de fabrication de structures MEMS ne sont pas abordés dans cet article. Pour garantir la qualité et la fiabilité des produits développés, les matériaux et les process doivent être soumis à de nombreux essais qui impliquent de prendre en compte leurs mécanismes d'endommagement, de préférence à un stade précoce de la conception. Selon une thèse de Robert Edward Boroch, les structures de résonateurs MEMS sont le plus souvent soumis à des sollicitations statiques, qui consistent à exercer une charge mécanique importante jusqu'à la rupture, et en fatigue, qui se caractérisent par une répétition de chargements cycliques jusqu'à endommagement.

 

Nous avions besoin d'un système capable d'appliquer les mécanismes retenus à vingt structures en parallèle. Celui-ci devait effectuer plusieurs tâches différentes :

  • déterminer la fréquence de résonance des structures ;
  • provoquer une rupture quasi-statique en amenant les structures à leur fréquence propre et en augmentant l'amplitude des oscillations jusqu'à endommagement ;
  • effectuer un essai de rupture en fatigue en excitant les structures à leur fréquence propre jusqu'à endommagement.

 

Le système doit déterminer l'amplitude de flèche exacte à laquelle se produit la rupture, et mesurer avec précision le nombre de cycles répétés jusqu'à l'endommagement en fatigue. Afin de mener des campagnes d’essais similaires ultérieurement, il était primordial que ce système soit réutilisable.

 

Description de l'application

Système antérieur

Le précédent système comprenait un PC, des générateurs de signaux, un oscilloscope et plusieurs cartes de mesure spécifiquement conçues pour cet essai. Une fois un échantillon soumis, les cartes de mesure devaient être adaptées manuellement à chaque structure MEMS à l'aide de résistances ajustables multi-tours. Chaque puce MEMS comprenant plusieurs structures, celle à tester devait être sélectionnée de manière manuelle via des fils de connexion. Une fois l'étalonnage et l'installation effectués, les cartes étaient insérées dans une baie, où elles excitaient les structures en boucle fermée jusqu'à la rupture. Le PC vérifiait régulièrement chaque carte pour déceler toute fissure ou changement de l'amplitude de flèche. Les cartes étaient entièrement analogiques, dénuées d'intelligence embarquée. L'étalonnage des cartes était une tâche très chronophage, qui devait être réitérée à chaque fois qu'une nouvelle structure était sélectionnée ou qu'une nouvelle puce était insérée.

 

Le système à développer devait donc être capable d'effectuer automatiquement (ou au moins semi-automatiquement) la sélection de la structure à l’essai, l'ajustage d'appoint des circuits d’essai et l’exécution des mesures.

 

 

 

Principes de mesure

Les structures à l'essai sont constituées de deux parties : l'une fixe, l'autre mobile. Une tension est appliquée entre chacune d'elles. Sous l'effet de la force électrostatique induite par un signal d'excitation, la partie mobile fléchit. Cette flexion peut être déduite en appliquant un signal haute fréquence – ou signal de mesure – au niveau des électrodes fixes avec un déphasage à 180° entre les deux, et en mesurant le courant résultant au niveau de la partie mobile. Ce courant est ensuite converti en tension, puis amplifié et soumis à un filtre passe-haut pour éliminer le signal d'excitation, avant d'être finalement démodulé. Le signal qui en résulte contient les informations sur la déformation réelle de la structure. Il peut être utilisé pour déterminer la fonction de transfert du résonateur.

 

Le traitement de ce signal s'effectue au moyen d'un amplificateur à détection synchrone qui exploite des modèles mathématiques embarqués, indispensables pour obtenir les informations voulues en dépit de la forte pollution sonore ambiante. Chaque puce contient plusieurs structures : la première dispose d'une fonction d'arrêt qui s'enclenche à une valeur de flèche donnée (échantillon d'étalonnage) et qui sert à déterminer de manière exacte la flexion provoquée par la tension appliquée ; sur les autres échantillons, la fonction d'arrêt se déclenche à partir d'une valeur de flèche plus élevée, de sorte que des fissures se produisent lors des essais.

 

 

 

Architecture matérielle

Les cartes de traitement du signal comprennent :

  • un SOM sbRIO-9651
  • ses périphériques de base (connecteurs USB, Gigabit Ethernet, carte SD) ;
  • des alimentations ;
  • deux C A/N haute vitesse (100 Méch./s) avec conditionnement du signal ;
  • un circuit intégré générateur d'horloge (Si5340) pour produire une horloge de C A/N précise ;
  • deux C N/A haute vitesse (200 Méch./s) avec conditionnement du signal ;
  • deux C A/N et deux C N/A basse vitesse pour configurer et lire les paramètres arbitraires.

Plus de 40 lignes d'E/S numériques inutilisées ont été acheminées vers le frontal, en prévision de futures améliorations du système.

 

Problématiques

Architecture du système

Afin de garantir que l'équipement d'essai soit réutilisable et suffisamment évolutif, et pour repérer l'instant exact de la rupture, nous avons opté pour une architecture de système distribué comprenant plusieurs unités de mesure intelligentes fonctionnant de manière indépendante pour surveiller la structure en continu. La tâche de traitement du signal étant véritablement spécifique à notre application, nous n'avons pas eu d'autre choix que de développer un circuit personnalisé. Pour rendre le système réutilisable, nous avons réparti les fonctions entre une carte générique de numérisation, de génération et de traitement du signal d'une part, et une carte de conditionnement du signal spécialisée, dédiée à l'exécution de cette tâche précise d'autre part.

 

Contraintes mécaniques

Ces cartes devant être installées dans une baie, elles devaient respecter des dimensions particulières. C'est pourquoi nous avons décidé de fabriquer une carte de traitement du signal sur mesure. Afin d'écourter le temps de développement et de limiter la complexité et les dimensions du circuit imprimé, nous avons utilisé un module processeur. Il en existe de nombreux modèles différents sur le marché, mais plusieurs raisons nous ont poussé à choisir le système sbRIO-9651 de NI. Il présente en effet des dimensions réduites, intègre un FPGA et peut être programmé à haut niveau sous LabVIEW. Ce dernier argument renforce les possibilités de réutilisation de la carte, car l'apprentissage de la programmation LabVIEW est relativement rapide. Le système sur module (ou SOM) sbRIO-9651 est bien documenté et livré avec un guide complet de programmation de la carte porteuse, ce qui facilite le développement matériel.

 

Le système consiste donc en vingt cartes de traitement du signal dotées de SOM, et de vingt cartes frontales analogiques dédiées au traitement du signal. Montées en baie, les cartes de traitement du signal sont connectées aux cartes frontales par le biais d'un circuit imprimé en fond de panier central, qui comporte l'alimentation. L'un des cas d'utilisation suggère qu'une carte de traitement du signal soit directement connectée au frontal analogique et alimentée par voie externe.

 

 

Architecture logicielle

Côté logiciel, plusieurs critères ont dû être pris en considération :

  • le logiciel devait être facile à maintenir, donc aussi simple que possible ;
  • la vitesse de traitement du signal devait être élevée et la latence faible ;
  • il devait s'exécuter de manière autonome, même en cas de perte de réseau ;
  • il ne devait tolérer aucune perte de données.

 

Nous avons donc choisi l'architecture logicielle suivante :

  • un circuit FPGA pour la génération, l'acquisition et le traitement du signal à partir d'outils mathématiques à haut débit, ainsi que pour la gestion des périphériques ;
  • un contrôleur temps réel pour le téléchargement de l'image FPGA, le paramétrage des fonctions du FPGA, l'exécution des algorithmes d'ajustage d'appoint des frontaux, l'exécution des mesures et le stockage des résultats sur carte SD ;
  • un logiciel hôte pour faire office d'interface utilisateur. Les utilisateurs peuvent configurer les paramètres de mesure par logiciel. Ceux-ci seront appliqués à chaque contrôleur temps réel. Régulièrement, le logiciel vérifie l'état de chaque carte et collecte les données de mesure en vue d'une analyse ultérieure.

 

Avantages du sbRIO-9651

L'intégration du SOM a grandement simplifié la tâche de conception matérielle. Il nous a notamment permis de réduire le temps de développement de notre système en évitant de sérieuses erreurs matérielles que nous avions constatées dans les premiers prototypes.

 

L'utilisation de LabVIEW en tant que langage de programmation haut niveau a également contribué à accélérer le développement du logiciel. Selon nos estimations, il nous aurait fallu au moins deux fois plus de temps pour mettre en œuvre les fonctions de traitement du signal en VHDL. De plus, LabVIEW a permis à des collègues ayant des compétences limitées en FPGA de rapidement comprendre le code et de le maintenir.

 

Nous avons pu programmer notre logiciel en un seul et même langage pour les trois cibles (PC, temps réel et FPGA), là où les méthodes traditionnelles nous auraient imposé d'utiliser au moins deux langages de programmation différents, à savoir le C et le VHDL.


 

Conclusion

Le sbRIO-9651 nous a permis de développer un système hautement personnalisé, mais néanmois réutilisable, capable d'effectuer des mesures lors d'essais de fatigue de structures de résonateurs MEMS en silicium. Ce système est distribué et parfaitement autonome, de telle sorte qu'aucun ajustement d'appoint manuel n'est nécessaire. Il peut être programmé en LabVIEW, ce qui garantit d'important gains de temps non seulement en termes de développement, mais aussi de prise en main. Nous prévoyons d'ailleurs de l'exploiter dans d'autres projets, notamment pour procéder à des essais sur la structure de résonateurs de nouveaux produits automobiles, ou éventuellement dans le cadre d'applications d'enregistrement de données. En simplifiant le circuit imprimé, l'usage du sbRIO-9651 a assuré un développement rapide et sans accroc.

 

 

 

Informations sur l’auteur:

Balázs Görög
Robert Bosch Kft.

Figure 1. Topologie d'un oscillateur quart d'onde (d'après une thèse de Péter Südy)
Figure 2. Fonction de transfert classique mesurée par le nouvel équipement
Figure 3. Architecture matérielle du système
Figure 4. Architecture logicielle simplifiée du système
Figure 5. Carte de traitement du signal (tracé effectué par PCB Design)