Accéléromètres MEMS

Les accéléromètres de type capacitif sont basés sur les changements de capacité de la masse sismique sous l’effet de l’accélération. Il s’agit de la technologie la plus couramment utilisée de nos jours pour les accéléromètres. Ces accéléromètres utilisent la technologie de fabrication des systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS), ce qui permet de les fabriquer à grande échelle et de réduire ainsi les coûts de fabrication. Une caractéristique inhérente à tous les appareils capacitifs est leur horloge interne. La fréquence d’horloge (~500 kHz) fait partie intégrante du circuit de détection du courant, qui est invariablement présent dans le signal de sortie en raison de fuites internes. Le bruit à haute fréquence peut très bien se trouver en dehors de la plage de mesure de l’accélération qui nous intéresse, mais il est toujours présent dans le signal. Grâce à son amplificateur/circuit intégré, son interface électrique à 3 fils (ou 4 fils pour une sortie différentielle) est simple et ne nécessite qu’une source de tension continue stable pour l’alimentation.

La bande passante d’un accéléromètre capacitif est principalement limitée à quelques centaines de hertz (certains modèles vont jusqu’à 1500 Hz), en partie à cause de ses dimensions et de son amortissement gazeux. La structure du capteur capacitif permet également de mesurer des accélérations de faible amplitude. Le maximum pour leur plage de mesure est généralement limité à moins de 200 g. Les accéléromètres capacitifs modernes, en particulier les dispositifs pour les instruments, offrent une bonne linéarité et une grande stabilité de sortie.

Les accéléromètres de type capacitif sont les plus adaptés aux applications de surveillance embarquées, pour lesquelles le coût peut être un facteur déterminant. Ils sont adaptés pour mesurer les mouvements à basse fréquence où le niveau de g est également faible, comme pour les mesures de vibrations dans le génie civil.

La technologie piézorésistive est l’autre technologie de détection couramment utilisée pour les accéléromètres à réponse CC. Au lieu de détecter les variations de capacité de la masse sismique (comme dans un dispositif capacitif), un accéléromètre piézorésistif produit des variations de résistance dans les jauges de déformation qui font partie du système sismique de l’accéléromètre. La sortie de la plupart des modèles piézorésistifs est généralement sensible aux variations de température. Il est nécessaire d’appliquer une compensation de température à sa sortie, en interne ou en externe. Les accéléromètres piézorésistifs modernes intègrent un ASIC pour toutes les formes de conditionnement des signaux embarqués, ainsi qu’une compensation de la température in situ.

La bande passante des accéléromètres piézorésistifs peut atteindre plus de 7 000 Hz. De nombreux modèles piézorésistifs sont amortis soit par un gaz (types MEMS), soit par un fluide (type à jauge de déformation collée). Les caractéristiques d’amortissement peuvent jouer un rôle important dans le choix d’un accéléromètre. Dans les applications où l’entrée mécanique peut contenir une entrée à très haute fréquence (ou exciter une réponse à haute fréquence), un accéléromètre amorti peut empêcher la résonance du capteur et préserver ou améliorer la plage dynamique. Étant donné que la sortie du capteur piézorésistif est différentielle et purement résistive, le rapport signal/bruit est généralement excellent ; sa plage dynamique n’est limitée que par la qualité de l’amplificateur à pont de courant continu. Pour effectuer des mesures de chocs à très haute fréquence, certains modèles piézorésistifs peuvent supporter des niveaux d’accélération bien supérieurs à 10 000 g.

En raison de leur plus large bande passante, les accéléromètres de type piézorésistif conviennent mieux aux mesures d’impulsion/impact où la gamme de fréquences et le niveau de g sont généralement élevés. Comme il s’agit d’un dispositif à réponse en courant continu, on peut déduire avec précision de sa sortie d’accélération les informations de vitesse et de déplacement souhaitées sans erreur d’intégration. Les accéléromètres piézorésistifs sont couramment utilisés dans les tests de sécurité automobile, les tests d’armement et les mesures de chocs plus importants qui dépassent la plage utilisable des accéléromètres VC.