TRAVAUX DE REALISATION HORIZON ARTIFICIEL MEMS Micro Electro Mechanical Systems

Transcription

1 MAMMAR Julien FERRAND Pierre-François ET1 2ème année Ce rapport a été rédigé par deux étudiants de l IUT1 GEII1 de Grenoble. Je vous le fournis sans correction. Soyez donc indulgent envers les petites imprécisions et fautes que vous décèlerez. Ces étudiants ont mis tout le cœur à réaliser des cartes électroniques qui fonctionnent parfaitement aujourd hui. Pour plus de renseignements, vous pouvez me contacter directement : jerome.delamare@inpg.fr TRAVAUX DE REALISATION HORIZON ARTIFICIEL MEMS Micro Electro Mechanical Systems M. DELAMARE 2002/2003

2 SOMMAIRE Introduction page 2 I) Principe de chaque composant page 3 1. Le gyroscope 2. L accéléromètre II) Programmation sous LabView page 4 1) Prise de connaissance du logiciel 2) Création d instruments virtuels du tableau de bord 3) Programmation 4) Essais et étalonnage des différents composants III) Conception et réalisation de carte sous Protel page 8 1) Elaboration des cartes. 2) Schematics et routage des cartes. 3) Mise en place des composants à la CEDMS. IV) Essais de la carte à l état final page 13 Conclusion page 14 Remerciements page 15 Annexes 1

3 Introduction Les avions de tourisme possèdent un tableau de bord avec de nombreux instruments. Ces instruments servent au pilotage (vitesse, altitude, horizon artificiel ), à la surveillance des paramètres moteur (compte-tour, jauge essence, température ) et à la navigation (compas, conservateur de cap ). Tous ces instruments prennent de la place, du poids et sont extrêmement coûteux. Depuis peu, de nouveaux composants intégrés sur silicium ont fait leur apparition : les MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Ils sont obtenus par des techniques dérivées de la microélectronique et permettent de réaliser en grande quantité des systèmes mécaniques très performants en dimensions micrométriques. Grâce aux fabrications collectives, les coûts de ces systèmes sont très faibles. Le tout est contenu dans une puce CMS (Composant Monté en Surface). Notre projet consiste à réaliser un tableau de bord électronique. Plus exactement nous allons devoir gérer l horizon artificiel avec des accéléromètres et des gyroscopes. Ces composants sont les MEMS étudiés en projet de début d année, le MMA1260D de Motorola comme accéléromètre vertical, l ADXL202E pour l accéléromètre horizontal (deux axes) et trois ADXRS150 comme gyroscopes d Analog Device. L ensemble des données fournies par ces capteurs sera recueilli grâce à une carte d acquisition. Par la suite, ces données seront recueillies, traitées et affichées par le logiciel de programmation graphique Labview. Tout d abord nous allons définir les différentes étapes effectuées sous LabView, prise de connaissance du logiciel, création du tableau de bord, programmation et tests du programme sans les composants. Par la suite nous avons procédé à l étalonnage des composants dans ce même programme, tout d abord les accéléromètres puis les gyroscopes. Puis nous nous sommes concentrés sur l élaboration de la carte à l aide du logiciel Protel. Enfin nous avons pu tester la carte ainsi conçue, tout d abord en visualisant les signaux de sortie de chaque MEMS à l oscilloscope puis sous LabView. 2

4 I) Principe de chaque composant 1. Le gyroscope. Un gyroscope est constitué d un rotor tournant à grande vitesse autour d un axe, ce dernier possédant un ou plusieurs degrés de liberté par rapport au boîtier. L entraînement du rotor est assuré par un moteur pneumatique ou électrique. En suspendant le rotor, de façon à le soustraire aux perturbations extérieures (fixation par cadran). L axe de rotation acquiert une très grande stabilité et devient fixe dans l espace, pointant toujours dans la même direction. Cette propriété permet au gyroscope d être utilisé comme repère angulaire, l axe du gyroscope sera alors orienté dans la direction du Nord magnétique, ou selon la vertical suivant les cas. fixes : Les gyroscopes sont utilisés dans trois instruments pour des références d orientations - l horizon artificiel (référence verticale) - l indicateur de virage - conservateur de cap (Nord magnétique) 2. L accéléromètre. Pour mesurer une accélération on procède alors par dérivation simple de la vitesse, ou dérivation double du déplacement, obtenus généralement par voie électrique analogique. Mais la mesure la plus couramment employée est une mesure déductive obtenue à partir de la loi fondamentale de la dynamique : F = m.? On mesure en réalité la force f à laquelle est soumise une masse m sous l action de l accélération? considérée, cette accélération étant la résultante de toutes les accélérations auxquelles est soumise la masse m dans la direction de l axe sensible, qu elles soient dynamiques (mouvement) ou statiques (champ de pesanteur par exemple). Un calcul simple donne alors la valeur de?. La force f peut être évaluée suivant deux principes : -dans le premier cas (accéléromètres fonctionnant en boucle ouverte), la force est mesurée par la connaissance d un déplacement (pouvant être micrométrique) détecté par un phénomène physique proportionnel : optique, électrique, etc. La plupart des capteurs utilisant ce principe comportent une masse inerte (appelée masse d épreuve ou masse sismique) pouvant se déplacer en translation ou en rotation et couplée à un élément ressort susceptible d opposer à la force d inertie une force proportionnelle au déplacement. Dans ce type d accéléromètre, la sensibilité est d autant plus grande que la raideur de l élément ressort est faible. On se heurte là au compromis classique entre rapidité et précision, qu on surmontera d autant mieux avec des détecteurs plus sensibles. 3

5 -dans le second cas (accéléromètres fonctionnant en boucle fermée, ou asservis), on crée une force à l aide d une variable intermédiaire assurant une forte sensibilité tout en conservant une grande raideur de liaison. On peut considérer qu il n y a pas de déplacements de la masse sismique, car ceux-ci sont extrêmement faibles grâce au gain élevé de la boucle. II) Programmation sous LabView 1) Prise de connaissance du logiciel. Il nous a fallut un petit moment d adaptation afin de se familiariser avec ce logiciel. Pour cela nous avons essayé de faire bouger l aiguille d un simple compte-tours, comme dans une voiture, à l aide d un potentiomètre. Ce compte-tours et ce potentiomètre sont des instruments virtuels. Pour faire varier l aiguille il faut faire un petit programme sous forme de diagramme, en reliant les icônes correspondant au potentiomètre et au compte-tours entre eux. Il est possible de faire n importes quels calculs, n importes quelles conversions tout en gérant n importes quels instruments virtuels, grâce aux palettes fournies par le logiciel : 4

6 2) Création d instruments virtuels du tableau de bord. Pour notre tableau de bord, nous avons pu trouver sur Internet des instruments virtuels déjà existants et compatible avec LabView. Il a donc était facile de constituer notre tableau de bord virtuel à partir des renseignements que nous avons fourni M. DELAMARE. Ce tableau de bord est constitué principalement : de l horizon artificiel, d une bille, d un moving map (carte géographique) pour le GPS, d un altimètre, d un baromètre, etc Une fois les instruments virtuels placés, il ne nous reste plus qu à effectuer le programme permettant de manœuvrer tous ces instruments constituants le tableau de bord, en ce qui nous concerne il s agit de l horizon artificiel et de la bille. 5

7 3) Programmation. Etant donné que nous n avions pas encore les accéléromètres et gyroscopes, nous les avons remplacé dans LabView par des potentiomètres du même type que celui utilisé précédemment. Cela nous permettait quand même de manoeuvrer l horizon artificiel comme on le souhaitait. Dés que nous avons reçu les MEMS, nous avons pu achever le programme. Cette fois ci, l horizon artificiel et la bille étaient directement dirigés par les signaux de sorties des composants par l intermédiaire d une carte d acquisition permettant de transférer les données fournies par les MEMS directement dans le programme LabView. Le problème est que les données fournies étaient inexactes, c est à dire que l écran de l horizon artificiel et la bille affichait n importe quoi. Il a donc fallut calibrer et étalonner les composants afin, lorsque la plaque est à plat, d être dans la position suivante : 4) Essais et étalonnage des différents composants. Pour cela nous avons visualisé à l oscilloscope les signaux de sortie de chaque capteur. Pour l accéléromètre horizontal, la tension de sortie correspondant à l axe x variait atour de 2.41 V, nous avons du soustraire cette valeur pour avoir une référence autour de zéro. Puis nous avons filtrer ce signal afin d avoir le moins de sensibilité possible. Ce filtre est associé à temps d échantillonnage d 1 ms, lui-même correspondant directement à la constante de temps du filtre à la sortie de chaque composant (voir documentation technique). Nous avons procéder de la même façon pour l axe y. 6

8 En ce qui concerne l axe z, l accéléromètre fournissait une tension de sortie variant autour de 2.5V. Cette fois nous avons soustrait cette valeur de référence et effectuer un calcul, tout cela dans LabView, afin d avoir 0g correspondant à 0 Volt, +1g correspondant à 1 Volt et -1g correspondant à -1 Volt. Là encore nous avons du mettre un filtre pour diminuer la sensibilité du signal, comme pour l accéléromètre horizontal. Pour le gyroscope l étalonnage a été plus délicat. Il faut intégrer la vitesse de rotation donnée par le gyroscope grâce à LabView. On obtient donc la position angulaire. Il suffit alors de tourner le gyroscope d'un angle connu (par exemple 360 ) pour faire l'étalonnage. 7

9 Maintenant que l étalonnage de chaque composant et le programme ont été accomplis, nous avons pu passer à la réalisation des cartes. Voici un aperçu de ce programme que nous avons fait à l aide de LabView : III) Conception et réalisation de carte sous Protel Afin que les plaques fonctionnent on doit être capable de répondre aux exigences de la documentation technique, c est pourquoi nous avons besoin de la nomenclature suivante : Nom Type Valeur Footprint Gyroscopes(x3) C1 CMS 100nf 1206 C2 CMS 100nf 1206 C3 CMS 47nf 1206 C4 CMS 100nf 1206 C5 CMS 22nF 1206 C6 CMS 22nF 1206 Cout CMS 22nF 1206 Acc. Vertical C1 CMS 0,1µF 1206 C2 CMS 0,1µF 1206 R1 CMS 1 kohms 1206 Acc. horizontal Cdc CMS 0,47%F 1206 Cx CMS 0,47%F 1206 Cy CMS 0,1µF 1206 R1 CMS 100Ohms 1206 Rset CMS 125kOhms

10 1) Elaboration des cartes. Après la programmation sous LabView, ainsi que les essais et les étalonnages des différents composants avec également l aide de LabView, nous sommes passés à la conception et à la réalisation des cartes. En effet, comme nous l avons vu précédemment, on ne peut pas tous placer sur une seule carte, notamment à cause des gyroscopes. Ces composants sont des capteurs à un axe, or comme l on a trois axes et donc trois dimensions, on doit placer un gyroscope par axe. Voilà pourquoi on doit essayer de recréer un repère et donc pour cela il nous faut trois cartes. Ce problème ne se pose pas en ce qui concerne les accéléromètres, puisque l on a un accéléromètre à deux axes X et Y et un accéléromètre vertical d axe Z. Ces deux MEMS peuvent être placés sur une même carte. Par conséquent, afin de gagner un maximum de place et pour réduire les dimensions des cartes, nous avons choisit de placer un gyroscope et les deux accéléromètres sur une même carte qui sera appelée «carte principale» car il y a également le connecteur servant pour l alimentation des cartes et pour la réception des signaux. On a également deux cartes auxiliaires, qui, celles-ci se composeraient d un gyroscope chacune ainsi que les capacités leur correspondant. Ces deux cartes seront placées à 90 par rapport à la carte principale et à 90 entre elles. Cette disposition permettra de recréer un repère en trois dimensions. Notre objectif premier pour la réalisation des cartes à été de gagner un maximum de place, et de faire des cartes les plus petites possibles. Pour des raisons esthétiques, cela ne sert à rien de faire une carte énorme pour des composants microscopiques et peu nombreux, car les composants principaux (MEMS) ainsi que les condensateurs nécessaire sont de format CMS. 2) Schematics et routage des cartes. Pour la réalisation de ces cartes nous avons utilisé le logiciel PROTEL SE99. C est un logiciel que l on connaît bien et que l on commence à maîtriser, puisque on l a déjà utilisé pour de précédents projets. Ce logiciel est très pratique, car il nous permet de créer des Schematics afin de définir les connections entre les différents composants et d avoir une vu d ensemble du système (Voir Schematics). Ce logiciel est également très utile pour la fabrication de la carte. En effet, il permet de créer et de placer les composants sur la carte et permet également de créer les pistes et les connectiques indispensable (Voir PCB). Pour éviter les risques d erreurs, nous avons tous d abord procéder composants par composants, puis plaques par plaques. Afin de réaliser ces cartes il nous faut procéder par étapes pour ainsi pouvoir éviter les erreurs : - les schémas de principe (Schematics) ; - le routage des cartes ; - le plan d implantation des composants avec le routage correspondant. 9

11 Ci-dessous, le schéma de principe : Schéma d implantation, routage et mise en place des composants sur les deux faces de la cartes principale avec Protel : 10

12 Idem pour les cartes annexes des gyroscopes : 3) Mise en place des composants à la CEDMS. Après l élaboration des cartes, des Schematics et du routage de celles-ci. On est donc passé à la mise en place des composants. Pour cela on a du procéder par étapes. Tout d abord, après avoir fait imprimer le routage des cartes sur papiers calques (typon), il a fallu «tirer» les cartes, donc les mettre sur des plaques époxy. On pose le typon sur la plaque, et elle-même dans une machine qui fait le vide afin que les pistes du typon adhèrent à la plaque. Puis on bombarde avec des UV, par rayonnement cela provoque la mise en place des pistes sur les cartes. Seules les parties sombres du typon restent visible sur les plaques. On place ensuite les cartes dans un bain d acide puis d eau afin de ne laisser apparaître que les pistes en cuivre, et on fait sécher le tous. La seconde étape c est l étamage des plaques, c est à dire que l on dépose une fine épaisseur d étain sur les pistes en cuivre, cela se fait pour deux raisons. D une part pour éviter la détérioration des pistes de cuivre notamment à cause de la corrosion, d autre part permettre de faciliter la pose des composants CMS sur le circuit imprimé. Ensuite on doit passer à la pose des composants, ceci est assez simple, puisqu il n y a qu à souder les condensateurs et les résistances étudiés dans les documentations techniques. 11

13 La seule difficulté est la pose des gyroscopes car ces MEMS ne possèdent pas de pattes, elles sont remplacer par des billes qui en font un composant BGA (Ball Grid Array). Le seul moyen de les souder se fait à l aide d une machine de pose et dépose BGA. Pour placer ce composant il faut que les billes soient en correspondance avec les pistes et pour cela on a recours à une caméra microscopique. Une autre précaution à prendre et la durée de chauffage de la plaque et du composant. Ceci est très précis puisque les billes doivent se souder aux pistes et dès que l opération est réalisé le chauffage doit se terminer sinon les billes, qui sont en fait des billes d étain, vont se disperser sur les pistes et le composant risque de ne pas adhérer à la plaque. Une fois le soudage des billes effectuées, on doit vérifier qu il n y ai pas eu de débordement sur les autres pistes. On fait donc une vérification aux rayons X. 12

14 IV) Essais de la carte à l état final Une fois les cartes réalisées, il ne nous restait plus qu à les tester. Nous avons tout d abord vérifié que toutes les pistes connectées ensemble l étaient bien avec l aide d un ohmmètre sonore. Nous sommes partis du connecteur DB9 et pour aller chercher tous les points correspondant à chaque patte du connecteur sur la carte, c est à dire que le 5Volts, la masse et les sorties des capteurs correspondaient bien à ce que l on avait prévu. Ensuite nous avons alimenté la carte principale avec stabilisée fournissant le 5Volts nécessaire à l alimentation de nos composants. Par la suite nous avons vérifié à l aide d un oscilloscope que les composants étaient bien alimentés et que la masse était bien présente. Après nous avons visualisé le signal de sortie de chaque MEMS en faisant bougé la carte un peu dans tous les sens afin de voir s il y avait une variation des signaux de sortie. Ce qui était seulement le cas pour les accéléromètres vertical et horizontal, alors que pour le gyroscope il n y avait aucune variation. Le problème est survenu à la patte 1E du gyroscope (voir photo ci-dessous). Suite à une mauvaise lecture de la documentation technique, nous avons cru qu il fallait alimenter cette patte avec du 2.5Volts généré par un pont diviseur de tension que nous avions rajouté sur le schematic et sur les cartes. En remarquant que nous avions 5 Volts à la sortie de cette patte, nous en avons déduite que c est en fait le composant qui délivre une tension de référence de 2.5 Volts. Cette tension est celle que le MEMES délivre en sortie s il il est positionné à plat. Nous nous sommes aidés de ça pour calibrer le gyroscope sous LabView. IL nous a fallut dessouder les deux résistances, servant à générer le 2.5 Volts, des trois cartes. Nous avons donc à nouveau visualisé le signal de sortie du gyroscope qui, en faisant bougé la carte, variait bien atour du 2.5 Volts de référence. La carte principale fonctionnant, il ne nous restait plus qu à raccorder les cartes annexes à la carte principale. Comme précédemment nous avons visualisé le signal de sortie de chaque gyroscope des cartes annexes. A l heure où nous écrivons ce rapport il nous ne reste plus qu à tester cette carte avec LabView. Etant donné que l étalonnage et les tests ont été faits précédemment pour chaque MEMS un par un, on peut considérer que nous allons aboutir à un résultat satisfaisant pour le test final sous LabView. 13

15 CONCLUSION Nous avons acquis une expérience très enrichissante. Grâce à la réalisation de cette carte et à la programmation que nous avons effectué, nous avons appris à nous servir des moyens qui ont été mis à notre disposition. Les moyens que nous avons eu, nous ont permis de maîtriser des logiciels, aussi bien PROTEL pour la création des cartes électroniques, ou LabView pour la programmation et pour la réception des données envoyées par les capteurs. Ces logiciels nous les connaissions déjà, mais nous avons appris ici à les connaître bien mieux encore. Nous avons également appris une nouvelle technique en ce qui concerne la conception d une plaque, en effet c est la première fois que nous réalisons une plaque n ayant que des Composants Montés en Surface. Ce projet à été un bon moyen de mettre en pratique toutes nos connaissances acquises tout au long de ces deux années passées à l IUT GEII1 de Grenoble. En effet, les nombreuses matières que nous avons étudiées tout au long de l année nous ont été d un grand secours dans la réalisation de ce projet. Pour cela il a fallu des connaissances en électronique, en informatique ou encore en mathématiques. Ces connaissances nous ont servit aussi bien pour le choix et le calibrage des résistances et des capacités servant à nous délivrer les signaux désirés, que pour les traitements des signaux par intégration ou par filtrage à l aide de la programmation sous LabView. Au final, on peut dire que la carte finale peut répondre aux attentes requises bien que l on ait connu quelques complications lors de l essai de la carte. En effet, nous avons une erreur à propos de la tension de référence des gyroscopes et heureusement pour nous, nous avons pu résoudre ces problèmes facilement en supprimant le pont diviseur de tension. L a deuxième erreur que nous ayons commis fut le positionnement sur le carte de l accéléromètre horizontal, car contrairement aux documentions techniques des aux autres composants où l explication de leur positionnement s est fait à l aide de la vue du dessus, celle-ci nous donnait un positionnement en vue de dessous. Nous avons du coller puis souder le MEMS à l envers. Nous espérons voir, très prochainement, un avion équipé de ces systèmes voler un jour. Mais aussi que d autres personnes peaufineront ce projet en se servant du travail que nous avons fournies pendant ces quelques mois. 14

16 REMERCIEMENTS Nous tenons à remercier les nombreuses personnes qui nous ont permis de réaliser et de faire fonctionner cette carte. Nous tenons à remercier monsieur DELAMARE, notre tuteur pour ce projet, qui, de par sa passion pour l aviation, nous a réellement motiver en vue de la réalisation de ce projet. Il a su nous guider et nous aider lorsque l on en avait besoin et ce, tout au long de la durée de ce projet. Nous tenons également à remercier les deux personnes travaillant à la CEDMS, sans eux les cartes n auraient pas pu voir le jour. Ils nous ont d une part, prêter leur locaux, ils nous ont fournis tout le matériel nécessaire à la conception des cartes, avec les résistances et les capacités aux formats CMS. Et d autre part, ils nous ont aidées pour la pose des MEMS sur les cartes, qui nécessitaient leurs connaissances et leurs moyens techniques. 15