Yoann BUVAT, STMicroelectronics
Réaliser un système de supervision permettant de contrôler la température d’étuves utilisé dans le cadre d’études de vieillissement et de caractérisation électrique de micro-batteries au lithium.
Utiliser du matériel NI CompactDAQ pour la mesure à partir de thermocouples, connecté à un PC par Ethernet et piloté par une application de supervision développée sous LabVIEW, chargée d’assurer notamment la gestion d’historiques et d’alarmes.
Yoann BUVAT - STMicroelectronics
Rémy BERNARD - STMicroelectronics
La société STMicroelectronics, grand producteur mondial de semi-conducteurs, se tourne actuellement vers l’étude de nouvelles technologies de micro-sources d’énergie telles que les micro-batteries tout solide au lithium. L’équipe R&D - WLR&DC (Wafer Level Reliability & Device Characterization) - a pour mission d’accompagner le développement de ces technologies, en étudiant les mécanismes de défaillance observés dans des conditions de vieillissement accéléré. Il s’agit notamment d’analyser finement l’évolution des paramètres électriques en cours de vieillissement, afin d’établir des prédictions de durée de vie de ces produits en conditions nominales d’application.
Ainsi, les micro-batteries sont stockées et caractérisées électriquement à l’intérieur d’étuves régulées, pour assurer un contrôle de température et des conditions de mesure, sur des périodes de plusieurs mois. Comme de nombreux produits électroniques, les caractéristiques intrinsèques des micro-batteries sont relativement sensibles à la température. Une variation de quelques degrés ou une mauvaise calibration/homogénéité de l’étuve peuvent entraîner des mesures erronées ou non pertinentes, pouvant induire en erreur quant à l’interprétation des phénomènes mis en jeu lors du vieillissement. Typiquement, une différence de l’ordre de 1 °C dans l’étuve peut induire une erreur de mesure de l’ordre de 5 % sur l’extraction de paramètres tels que la résistance interne des micro-batteries.
Il était donc indispensable de mettre en place un système précis de contrôle et d’enregistrement de la température des étuves, pour être certain de la validité des mesures effectuées et disposer d’un suivi dans le temps.
Pour contrôler la température de toutes nos étuves, nous avons choisi d’intégrer des thermocouples de type T dans chacune d’entre elles. Il s’agit de disposer de deux à cinq thermocouples par étuve, sur une dizaine d’étuves constituant notre parc d’équipement. Le nombre de thermocouples intégrés par étuve est ajusté en fonction de la taille des enceintes afin d’assurer un contrôle adapté de l’homogénéité de température.
Le système d’acquisition à mettre en place devait permettre de réaliser l’acquisition de l’ensemble des valeurs renvoyées par les thermocouples de notre installation, valeurs à transmettre à un PC via un réseau Ethernet, qui héberge la supervision réalisée sous LabVIEW.
Nous avons choisi d’utiliser le matériel NI parmi les différents systèmes envisageables, car plus performant et moins encombrant, mais aussi évolutif comparé aux autres solutions, ainsi que pour sa compatibilité directe avec LabVIEW.
Pour réaliser notre chaîne d’acquisition, nous avons opté pour une solution NI CompactDAQ, avec le châssis NI cDAQ-9184 qui dispose d’une connexion Ethernet et de quatre emplacements de modules. Nous l’avons doté de modules NI 9213 permettant l’acquisition de 16 thermocouples chacun.
Cette solution s’est révélée très intéressante de par son fonctionnement simple et sa facilité de mise en œuvre, ainsi que par son faible encombrement. Le coût de cette solution nous a par ailleurs permis de rester sur un budget global raisonnable.
Pour réaliser notre logiciel de supervision, nous avons choisi d’utiliser le logiciel LabVIEW, car il est très présent dans notre entreprise et il permet de réaliser de façon simple des applications visant à faire de l’acquisition de données.
Notre supervision doit gérer l’enregistrement continu de la température des différentes étuves de notre parc, dans des fichiers d’historique, et également afficher les valeurs de température en temps réel. Elle doit également permettre d’alerter les utilisateurs si une variation importante et prolongée de la température est constatée par rapport à la température de consigne voulue.
La température de consigne demandée par un utilisateur est récupérée via un bus RS485, connecté aux étuves, puis relié au PC de supervision. Chaque valeur de température de consigne peut ainsi être comparée à la valeur mesurée via les thermocouples. Une alerte par message électronique sera ensuite envoyée si la température de l’étuve n’est pas conforme à la température de consigne.
La supervision offre également la possibilité, via le bus RS485, de piloter les étuves directement du PC via l’envoi des commandes correspondantes.
Pour visualiser en temps réel la température au sein d’une étuve, l’utilisateur a le choix de l’étuve à visualiser, ainsi que le choix d’afficher soit une moyenne des thermocouples présents dans l’enceinte, soit la valeur de chacun d’eux pour vérifier l’homogénéité de l’étuve. L’option de mesure instantanée permet de vérifier à tout moment la température dans une étuve.
L’enregistrement de température des étuves doit se faire toutes les heures, nous n’avions donc pas de contrainte forte quant à la vitesse d’acquisition des données. Les données sont enregistrées dans des fichiers Excel pour des raisons de commodité d’étude et de manipulation pour les utilisateurs.
Après avoir installé les thermocouples dans chacune des étuves, et développé le logiciel de supervision, nous avons été en mesure de réaliser des essais via notre matériel. Ces premiers essais nous ont permis de valider le fonctionnement du système mais également de mettre en évidence quelques imperfections de calibration et d’homogénéité dans certaines de nos étuves.
Le système fonctionne correctement et il s’avère très peu encombrant. Il est également évolutif, les châssis NI CompactDAQ nous permettant de réaliser d’autres applications si besoin, en utilisant d’autres modules du catalogue National Instruments.
L’aide offerte par les différents commerciaux et techniciens de NI nous a permis de réaliser notre application rapidement et efficacement, et ce sans rencontrer de problème majeur.
Notre système NI CompactDAQ est actuellement en place, et nous permet de superviser en température l’ensemble de notre parc d’étuves.
Nous pouvons désormais contrôler parfaitement les conditions dans lesquelles sont réalisés nos essais sur micro-batteries et garantir ainsi une évaluation précise des performances en fiabilité de cette nouvelle technologie dans les meilleures conditions.
Septembre 2013
Yoann BUVAT
STMicroelectronics
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France
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