02 Avril 2014  |  Capteurs
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 02/2014

Des capteurs MEMS pour applications industrielles

Martin Grimmer*

Les développeurs d’applications mobiles dans le domaine des jeux et de l’automobile ont su très tôt utiliser les possibilités offertes par les capteurs MEMS. Cependant, ceux-ci offrent également de nombreuses possibilités d’utilisation dans l’industrie, le domaine médical, ainsi que l’électroménager.

Les accéléromètres à trois axes sont particulièrement intéressants pour de nombreuses utilisations. En effet, avec un coût inférieur à un euro et une multitude de fonctions, ils offrent un excellent rapport qualité/prix. Parmi les produits phares, on compte actuellement les accéléromètres MEMS à trois axes LIS3DH de STMicroelectronics et BMA250E de Bosch Sensortec. Ces deux modèles sont très économes en énergie et de petite taille. Ils conviennent donc parfaitement pour des applications dans les appareils mobiles. Grâce au mode basse consommation, il est possible de réduire la consommation d’électricité du modèle LIS3DH à seulement 2 μA et le capteur BMA250E a besoin de moins de 5 μA. Grâce à la fonction «réveil par mouvement», on peut réduire significativement la consommation d’énergie de l’ensemble d’une application ou de prolonger la durée de fonctionnement des batteries. L’application est placée dans une sorte de «mode veille». Lorsque le capteur MEMS enregistre un mouvement, elle est «réveillée» (gestion intelligente de l’énergie).
Les dimensions des boîtiers des capteurs de 3 x 3 x 1 mm (LIS3DH) ou 2 x 2 x 0,95 mm (BMA250E) sont excellentes pour les applications où l’encombrement joue un rôle important. Ces deux modèles fournissent, via des plages de mesure programmables de ±2 g, ±4 g, ±8 g et ±16 g, des valeurs précises avec une sensibilité de 1 mg/digit pour le LIS3DH et de 256 LSB/g pour le BMA250E dans le domaine 2 g. Ils disposent d’une résolution numérique de 12 bit ou de 10 bit, l’offset zéro-G classique étant, pendant toute la durée de vie, de ±40 mg pour le modèle ST et de ±80 mg pour le modèle Bosch.
 
 
Une multitude de fonctionnalités
Les deux accéléromètres disposent d’un système de détection de chute libre, dont la plupart des disques durs d’ordinateurs portables sont actuellement équipés. Dès que le capteur enregistre une chute libre, la tête d’écriture et de lecture est placée en position de sécurité. Ce principe peut également, lors d’une chute, placer des machines telles qu’une tronçonneuse ou la télécommande d’une grue en situation de sécurité grâce à un arrêt d’urgence.
Pouvant enregistrer les mouvements et les vibrations les plus minimes, ainsi que les changements de position, les accéléromètres conviennent également pour la protection contre le vandalisme ou le vol sur des oléoducs ou des gazoducs, des distributeurs ou des objets précieux. L’enregistrement de vibrations permet également de vérifier le bon fonctionnement d’une machine et, en cas de défaillance, de déclencher une coupure rapide. 
En utilisant ces capteurs, il est possible d’apporter aux applications d’interfaces homme-machine (HMI), de nouvelles fonctions et donc de les valoriser. À l’aide de ce que l’on appelle le «display profile switching», on peut adapter l’orientation de l’image dans le cas d’unités de commande portatives, lorsque l’écran est tourné de 90° - comme pour les appareils photo numériques. Leur détection linéaire permet, grâce à l’identification de la position, d’arrêter le son (smartphone), par exemple, ou de mettre un appareil en veille lorsqu’il y a des vibrations.
Dans de nombreuses applications, la commande des accéléromètres par clic ou double clic s’impose. Les touches mécaniques et les interrupteurs ne sont ainsi plus indispensables et l’utilisation en est d’autant plus conviviale.
 
Un système de déclenchement d’urgence
La fonction podomètre, ainsi que la surveillance de l’activité physique réalisable à l’aide des accéléromètres à trois axes sont intéressantes pour les applications de santé mobile ou de surveillance de la santé. Le type de mouvements du porteur est enregistré. On en déduit la distance parcourue, ainsi que les calories consommées. Lors d’une chute dans la pratique de l’alpinisme, par exemple, le capteur reconnaît la chute libre et peut, si le corps ne bouge plus, déclencher un appel d’urgence (emergency call).
L’entreprise STMicroelectronics, tout comme la société Bosch Sensortec proposent des outils logiciels et du matériel informatique pour les premiers tests avec les capteurs MEMS dotés d’une interface graphique conviviale. Les développeurs, peuvent ainsi procéder à différents réglages de manière pratique, les tester puis les transposer tels quels dans l’application. Pour ce faire, ces deux fabricants mettent à disposition des cartes de programmation, une interface de programmation (API) ou un pilote bas niveau.
 
 
Une multitude de types de capteurs
Outre les accéléromètres, il existe une grande variété d’autres types de capteurs MEMS sur le marché. Ainsi, les microphones MEMS conjuguent grande qualité de son, solidité et taille minimale pour des applications dans le domaine de la reconnaissance et de la commande vocale. Par comparaison avec les microphones à électret (ECM) conventionnels, les modèles MEMS sont plus fiables et robustes. Ils ont de meilleures propriétés concernant l’évolution de la température. Actuellement, ils sont à peine plus chers que les microphones conventionnels. Bientôt, ils coûteront le même prix ou seront même moins chers. Ils conviennent non seulement aux applications HMI dans le domaine de l’industrie, mais également aux systèmes de navigation et de conférence ou aux kits mains libres. La société STMicroelectronics propose des modèles numériques (MP34DT/DB01 / MP45DT02) et analogiques (MP33AB01/B01H) ayant un rapport signal/bruit pouvant atteindre 63 dB pour une réponse en fréquence très linéaire (20 Hz à 20 kHz).
Les capteurs gyroscopiques contribuent à améliorer la sécurité dans les perceuses, par exemple. Ils enregistrent la rotation de la perceuse (ou le mouvement entrainé) lorsque la mèche reste coincée dans le béton et permettent un arrêt d’urgence.
Les capteurs de pression barométriques MEMS, mesurant la pression de l’air, permettent de calculer à partir de cette valeur, l’altitude avec une précision de 25 cm. Ainsi, ces capteurs de pression offrent de nouvelles possibilités d’applications pour l’orientation à l’intérieur de centres commerciaux ou de parkings couverts. Lors d’interventions des pompiers et de la police, ils peuvent même contribuer à sauver des vies en indiquant où se trouvent les personnes blessées à l’intérieur des bâtiments. Dans les systèmes de navigation, ils indiquent exactement la position d’un véhicule, même sur des routes à plusieurs niveaux.
En combinant plusieurs capteurs, les possibilités se multiplient presque à l’infini. Dans une machine à laver, par exemple, des capteurs de pression peuvent mesurer le niveau de remplissage pendant que des accéléromètres évaluent la charge et des capteurs optiques vérifient le degré de salissure de l’eau. Ainsi, le programme de lavage/séchage est ajusté de manière optimale.
 
La combinaison de capteurs
Les fabricants sont également conscients des avantages apportés par la combinaison de différents types de capteurs. Ils en proposent d’ores et déjà plusieurs, réunis dans un module, comme dans le modèle LSM330D. Dans un boîtier de seulement 3 x 5,5 x 1 mm, on trouve l’accéléromètre à trois axes LIS3DH, ainsi que le gyroscope à trois axes L3GD20. Ce dernier, couvrant l’ensemble de l’échelle de mesure de ±250 dps à ±2000 dps, dispose d’un arrêt programmable. Avec le modèle BMI055, la société Bosch Sensortec propose la même combinaison d’un accéléromètre à trois axes (BMA255) et d’un gyroscope à 3 axes (BMG160). Avec des dimensions de 3 x 4,5 x 0,95, il fait partie actuellement des plus petites unités de mesure d’inertie (IMU) disponibles sur le marché. Ses six degrés de liberté (6DoF, Degrees of Freedom) et sa faible consommation de seulement 5,15 mA en mode de plein fonctionnement, le destinent à les applications exigeantes dans le domaine de l’électronique grand public, comme les applications de jeu sur les consoles, les smartphones, ainsi que les tablettes tactiles. Sa haute résolution de 16 bit (gyroscope) ou de 12 bit (accéléromètre) permet d’obtenir des résultats de mesure précis et fiables. Par ailleurs le modèle BMI055 dispose d’un excellent rapport signal/bruit. Son échelle de mesure est programmable de ±125 dps à ±2000 dps pour le gyroscope et de ±2 g à  ±16 g pour l’accéléromètre. Ce dernier se distingue également par un faible offset zéro-g de seulement 70 mg en général. De plus, les interfaces numériques I2C et SPI offrent une grande variété de possibilités pour la communication de données.
De tels capteurs ou modules xDoF MEMS permettent non seulement des applications de jeu, mais aussi la surveillance à distance de patients ou de personnes âgées, sans restreindre leur liberté de mouvement. Le capteur peut ainsi «reconnaître» une chute et faire le nécessaire pour alerter une personne en charge des soins. Il permet de retrouver les personnes qui se sont perdues et n’ont plus toutes leurs facultés mentales. L‘ergothérapie, l’entraînement pour les sportifs et la prise de médicaments sont ajustés avec précision en fonction des habitudes individuelles en matière d’activité physique, gagnant ainsi en efficacité. Dans les tensiomètres utilisés à la maison, le capteur peut vérifier la position du bras, garantissant ainsi une prise de mesure correcte. Dans les élevages, ce type de capteur MEMS permet d’adapter individuellement la quantité d’aliment en fonction de l’activité physique de l’animal.
 
 
Des modules tout en un
Les modules qui combinent un plus grand nombre de types de capteurs, disposent d’un degré de liberté encore plus important. La société STMicroelectronics a récemment lancé sur le marché un tel module multicapteur ayant neuf degrés de liberté.
Le module iNEMO M1 (System on Board - système sur carte) associe un capteur géomagnétique à six axes LSM303DLHC (un accéléromètre à trois axes + un magnétomètre à trois axes), un gyroscope à trois axes L3GD20, ainsi qu’un microcontrôleur 32 bit STM32 et un logiciel spécial de fusion des capteurs - et cela pour un encombrement de seulement 13 x 13 x 2 mm. Le module iNEMO M1 dispose ainsi d’une perception englobant presque tous les sens de l’homme et les surpasse même parfois. Ainsi, il enregistre les accélérations linéaires, les vitesses angulaires et le magnétisme terrestre, permettant de déterminer avec précision la position, les mouvements et leur direction. Le logiciel collecte les signaux de sortie de tous les capteurs. Les distorsions et imprécisions des mesures sont corrigées automatiquement au moyen d’algorithmes de prédiction et de filtrage. Le gyroscope L3GD20 enregistre les mouvements de rotation, d’inclinaison, d’oscillation, sur une échelle qui peut être choisie entre ±250°/s, ±500°/s et ±2000°/s. Le capteur géomagnétique LSM303DLHC dispose d’une échelle de mesure librement programmable de ±2 g, ±4 g, ±8 g et ±16 g pour l’accéléromètre et de ±1,3 gauss à ±8,1 gauss pour le magnétomètre, ainsi que d’une sortie I2C. Grâce à ces fonctions, le module iNEMO apporte un plus grand réalisme aux applications de jeu vidéo et aux applications virtuelles ou à réalité augmentée, aux interfaces homme-machine, aux robots, aux appareils portables de navigation, ainsi qu’aux systèmes de surveillance des patients.
 
Un soutien dans le développement
La multitude de capteurs MEMS des plus divers ayant des degrés différents d’intégration donne aux chercheurs l’embarras du choix. Souvent, il est difficile de dire au début quel type de capteur permettra d’atteindre au mieux l’objectif d’un développement. La société Rutronik dispose d’une large gamme comptant les types de capteurs MEMS les plus divers, parmi les plus innovants de ses fabricants franchisés. Dans ce domaine, ce distributeur ne propose pas seulement les capteurs mais aussi les systèmes de traitement des signaux des capteurs.
À partir de cette large gamme, il est possible de réaliser une solution adaptée à chaque besoin. Le développeur ne doit pas se décider dès le début de la phase de développement. Les ingénieurs produits et applications de la société Rutronik lui apportent leur aide pour effectuer son choix. Le
site Internet www.rutronik.com/sensors présente un aperçu de la gamme des capteurs MEMS.

RUTRONIK Elektronische Bauelemente AG
1400 Yverdon-les-Bains
Tél.: 024 423 91 40
 

* Directeur marketing Analog & Sensors de la société Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH


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