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Vol. 104 - Janvier 2010 Bruno VELAY Modélisation d’un accéléromètre MEMS Applic

Vol. 104 - Janvier 2010 Bruno VELAY Modélisation d’un accéléromètre MEMS Applications : déclenchement d’un airbag et autres par Bruno VELAY Département Mesures physiques Institut universitaire de technologie (IUT) - 44600 Saint-Nazaire bruno.velay@univ-nantes.fr RÉSUMÉ Le sujet (1) de physique-chimie de la session 2009 du baccalauréat série S proposait d’explorer le « rapport » entre airbag et condensateur de façon originale, en limitant évidemment cette étude à des considérations très simplificatrices contraintes par le programme de cette classe. L’objet de cet article est de proposer au niveau bac+2 une étude élémentaire, mais néanmoins plus détaillée du fonctionnement d’un accéléromètre MEMS (pour « Micro-Electro-Mechanical-System ») du type de ceux utilisés pour le déclenchement d’un airbag, tant du point de vue du capteur proprement dit que du condi- tionnement du signal de mesure. Des « pistes documentaires » sur l’utilisation de ces composants seront aussi proposées, en particulier pour la sécurité automobile. 1. SYSTÈME DE PROTECTION DES OCCUPANTS D’UNE AUTOMOBILE 1.1. Choc par l’avant Une vidéo de visualisation d’un choc par l’avant, disponible sur le site Internet d’un grand équipementier [1], s’interprète en considérant que l’énergie cinétique du véhicule doit être évacuée en chaleur par le système de freinage (par frottement) ou par la défor- mation de la carrosserie. Une étude simple des forces mises en jeu [2] montre que la distance d’arrêt (déformation du véhicule + allongement de la ceinture) conditionne les efforts sur les personnes. Conséquences concrètes : ® la gestion fine de la tension de la ceinture de sécurité permet de diminuer les forces sur les personnes et donc les conséquences traumatiques pour celles-ci ; ® les corps des personnes ont aussi de l’énergie cinétique à dissiper : malgré le freinage par la ceinture, il y a mouvement rapide de la partie supérieure des personnes vers l’avant avec un risque majeur de choc [4]. ﬁPour cela, un système centralisé regroupant de multiples capteurs, géré par une unité U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E 3 (1) NDLR : Voir le texte de ce sujet [B]. Modélisation d’un accéléromètre MEMS… Le Bup n° 920 (1) de contrôle d’airbags (face, coude, genoux…) décide en moins de 5 ms (typiquement) s’il est nécessaire d’agir en gonflant les airbags et/ou pré-tendant les ceintures de sécurité. Ces actions de pré-tension ou de gonflage ont lieu en 50 ms, soit la durée de deux clignements d’yeux… Figure 1 : Déclenchement d’un airbag et pré-tension des ceintures de sécurité (Source BOSCH) [13]. Remarques : ® une première approche très simple de ce fonctionnement est proposée dans la fiche du CEA-LETI [3] ; ® une animation et des informations précises sur la pré-tension sont disponibles sur le site d’un autre équipementier spécialisé [14] ; ® le BUPPC propose une étude détaillée de la mécanique des mouvements/vitesse/accé- lération du conducteur lors de l’usage d’un airbag [4] ainsi qu’une approche de la chimie de l’airbag [5]. 1.2. Condition de déclenchement de l’airbag Dans un véhicule récent, un système centralisé regroupe de multiples capteurs, géré par une unité de contrôle d’airbag (ACU pour « Airbag control unit »). Cette ACU est un des éléments de ce que l’on appelle « le calculateur de bord ». Les capteurs d’accident fournissant les informations décisives pour la décision de réaction sont des accéléromètres ou des capteurs de pression. Par exemple, une solution industrielle proposée actuellement par l’équipementier BoSCh (2) [1] est organisée avec la répartition suivante (cf. figure 2, page ci-contre). U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E 4 (2) La production annuelle en capteurs MEMS du groupe BoSCh est actuellement de l’ordre de cent millions d’unités. Un accéléromètre typique est SMB460 [1]. Vol. 104 - Janvier 2010 Bruno VELAY Figure 2 : Schéma d’implantation d’un système de sécurité : 1 : unité de contrôle d’airbag ACU - 2 et 3 : accéléromètres (chocs frontaux ou latéraux) - 4 : capteurs de pression pour la déformation des portières (Source BOSCH) [1]. Les capteurs périphériques internes sont placés sur la carte de l’ACU : U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E 5 Capteur Grandeurs mesurées Gamme Type Accélération forte (high-g : a > 20 g) Accélérations deux axes (longitudinale et latérale) 100 g MEMS Plausibilité du crash Accélération longitudinale : redondance pour confirmation de situation de crash 100 g MEMS Accélération faible (low-g : a < 20 g) Accélérations deux axes (longitudinale et verticale) : rotation « lente » type dérapage / tête à queue ± 5 g MEMS Taux de rotation (Roll Rate) Suivi de la variation de la vitesse angu- laire autour de l’axe de la voiture : situa- tion de « tonneaux » ± 240 degré/s MEMS Tableau 1 Remarque : est l’accélération de la pesanteur. 9,8 m s g – 2 $ = Modélisation d’un accéléromètre MEMS… Le Bup n° 920 (1) Les capteurs périphériques externes à l’ACU sont déportés à l’avant du véhicule (accéléromètres destinés à la détection de la déformation de la structure en choc frontal) ou dans les portes latérales (accéléromètres et capteurs de pression destinés à la détec- tion de chocs latéraux). U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E 6 Capteur Grandeurs mesurées Gamme Type Accélération Accélération longitudinale : UPS UpFrontSensor pour mesurer l’accélération de déformation du châs - sis avant 100 g MEMS Tableau 2 Les accéléromètres sont « mutualisés » avec d’autres systèmes électroniques du véhi- cule. Leurs mesures peuvent être, par exemple, utilisées pour la gestion du freinage ABS, la correction de trajectoire ESP… 2. ACCÉLÉROMÈTRE MEMS DE LA SÉRIE ADXL Cet article ne saurait traiter des MEMS (pour Micro-Electro-Mechanical-System) de façon générale et approfondie ; il ne traite ni leur diversité de technologie et d’usage, ni leur histoire et leur développement. Le lecteur trouvera sur ce site remarquable [12] des informations plus complètes. La bibliographie propose aussi quelques lectures complémentaires, en particulier [L1] et [L2]. Cette courte synthèse introductive présente les capteurs à MEMS [18]. Mon choix s’est porté sur cette série d’accéléromètres ADXL par le fait que les feuilles de données disponibles sur le site du constructeur Analog Devices [8] sont suffi- samment développées et explicites pour pouvoir proposer un modèle détaillé convenable. Rappelons que la majorité des livres disponibles, même spécialisés, ne proposent le plus souvent que des explications de principe et peu de considérations concrètes. Cette famille de composants est en constante évolution : pour préparer un achat, consulter les tableaux de la page iMEMS [8] ainsi que [15]. Le principe de fonctionnement des capteurs dispo- nibles ne saurait être éloigné de celui qui est présenté dans cet article. Pour mémoire, Analog Devices est le principal fournisseur de capteurs inertiels en technologie MEMS pour l’industrie automobile, soit cinq cents millions de pièces en quinze ans (3) [16]. (3) Analog Devices et Infineon Technologies ont annoncé fin juin 2009 une collaboration poussée pour la mise au point de la nouvelle génération de systèmes pour airbag. Infineon a fourni six cents millions de compo- sants pour airbag ces derniers quinze ans. Analog Devices apporte sa technologie des capteurs MEMS. Infineon contribuera au reste du composant (interface capteur / microcontrôleur / gestion de l’alimentation économe / contrôle du réseau interne). Une durée typique de développement pour ce genre de produit est typiquement de deux ans. Cette plate- forme collaborative a pour objet de réduire celle-ci à six mois seulement. Vol. 104 - Janvier 2010 Bruno VELAY 2.1. Miniaturisation des capteurs et richesse fonctionnelle Les premiers accéléromètres (1980) occupaient une carte d’environ 50 cm2. Dès 1995 la partie active d’un ADXL50 (accéléromètre originel pour les applications d’airbag) était réduite à un carré de 16 mm2. Le composant sur lequel est basée cette étude date de 2006 et occupe seulement 3 mm2, comme les composants plus récents. on dispose maintenant de capteurs capables de mesurer une, deux ou trois composantes de l’accélération linéaire, mais aussi une, deux, trois composantes de l’ac- célération angulaire. Selon leur étendue de mesures, ils sont qualifiés de Low-g pour des accélérations inférieures à vingt fois l’accélération de la pesanteur et de high-g au-delà. ADXL103 (low-g) et ADXL78 (high-g) sont des représentants significatifs de cette série. Suivant la tendance actuelle, l’autre série ADIS exploite des systèmes tout numé- riques programmables plus sophistiqués, incluant du traitement et du contrôle, de l’in- terfaçage, des auto-tests, la gestion de la consommation, etc. (4) En suivant la uploads/Management/ accelerometre-mems.pdf