Article de référence | Réf : R1002 v1

Applications des MEMS à la métrologie électrique

Auteur(s) : Antti MANNINEN, Anna-Maija KÄRKKÄINEN, Nadine PESONEN, Aarne OJA, Heikki SEPPÄ

Date de publication : 10 juin 2007

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RÉSUMÉ

Les dispositifs à base de microsystèmes (MEMS) représentent un grand potentiel pour la métrologie et l'instrumentation électrique de précision. De petites dimensions, de faible consommation et de coût réduit en production de masse, ils offrent de surcroît une bonne stabilité et un moindre bruit en 1/f. En pratique cependant, la stabilité des composants microsystèmes est souvent limitée par des effets de charge électrostatique aux surfaces et interfaces, ainsi que sur les couches diélectriques. les travaux actuels tentent de détourner ce problème.

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ABSTRACT

Microelectromechanical systems (MEMS) provide great potential for metrology and precision electric instrumentation. In addition to their small bulk, low consumption and reduced cost in mass production, they also offer good stability and lower 1/f noise. In practice however, the stability of MEMS components is often limited by electrostatic field effects on surfaces and interfaces, as well as on dielectric layers. Ongoing research is trying to address this issue.

Auteur(s)

  • Antti MANNINEN : Groupe Manager de Métrologie électrique au Centre de Métrologie et d’Accréditation (MIKES), Espoo, Finland

  • Anna-Maija KÄRKKÄINEN : Chercheur expert à VTT Technical Research Centre of Finland, Espoo, Finland

  • Nadine PESONEN : Chercheur à VTT Technical Research Centre of Finland

  • Aarne OJA : Directeur de recherches à VTT Technical Research Centre of Finland

  • Heikki SEPPÄ : Professeur de recherches à VTT Technical Research Centre of Finland

INTRODUCTION

Les microsystèmes (en anglais « microelectromechanical systems MEMS ») peuvent offrir une alternative compétitive aux technologies classiques, pour les mesures électriques de précision. Le présent dossier fait le point sur les travaux effectués récemment dans le développement de solutions microsystèmes en métrologie électrique. Les références de tension, les convertisseurs tension efficace – continue (RMS-DC), les détecteurs de puissance hautes fréquences et les oscillateurs de référence sont étudiés. Le principe de fonctionnement de ces composants repose sur l’équilibre entre les forces électriques et les forces mécaniques de rappel dans les structures micro-usinées en silicium. Dans les voltmètres à tension efficace (RMS) et les convertisseurs RMS-DC, la relation quadratique qui lie la tension à la force entre les électrodes d’un condensateur à armatures mobiles est mise à profit ; le fonctionnement de la référence de tension à base de MEMS est fondé sur le phénomène de pull-in d’un condensateur à armatures mobiles.

Les avantages des dispositifs utilisant des microsystèmes par rapport aux solutions plus classiques sont les petites dimensions, la faible consommation d’énergie, le coût réduit de production de masse, la stabilité et le moindre bruit en 1/f. Les variations causées par les effets de charge électrostatique se sont révélées être un problème essentiel. Ce problème n’a pas encore été complètement résolu dans les applications en courant continu, mais peut être évité en utilisant un actionnement en courant alternatif et en compensant les potentiels continus internes du composant. De cette manière, une référence de tension alternative ayant une stabilité relative inférieure à 2 × 10–6 pour une période de mesure de trois semaines a été réalisée. Une bien meilleure stabilité a été démontrée avec un oscillateur de référence à base de microsystèmes : aucun changement de la fréquence de résonance n’a été observé à un niveau d’incertitude relative de 10–8 dans une mesure conduite pendant plus d’un mois.

Des composants à base de microsystèmes ont aussi été développés pour des mesures de puissance radiofréquences et micro-ondes, jusqu’à des fréquences d’environ 40 GHz. À l’inverse des détecteurs de puissance (wattmètres) hautes fréquences classiques, qui mesurent la puissance absorbée, les dispositifs microsystèmes mesurent la puissance transmise à travers le détecteur.

Ce texte a été traduit de l’anglais par Anne-Marie GAULIER.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-r1002


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - SEPPÄ (H.), KYYNÄRÄINEN (J.), OJA (A.) -   Microelectromechanical Systems in Electrical Metrology  -  . IEEE Trans. Instrum. Meas. 50, pp. 440-444 (2001).

  • (2) - WOLFFENBUTTEL (R.F.), VAN MULLEM (C.J.) -   The Relationship Between Microsystem Technology and Metrology  -  . IEEE Trans. Instrum. Meas. 50, pp. 1469-1474 (2001).

  • (3) - VAN DRIEËNHUIZEN (B.P.), WOLFFENBUTTEL (R.F.) -   Integrated Micromachined Electrostatic True RMS-to-DC Converter  -  . IEEE Trans. Instrum. Meas. 44, pp. 370-373 (1995).

  • (4) - SUHONEN (M.), SEPPÄ (H.), OJA (A.S.), HEINILÄ (M.), NÄKKI (I.) -   AC and DC Voltage Standards Based on Silicon Micromechanics  -  . CPEM 98 Digests, Washington DC, pp. 23-24 (1998).

  • (5) - VAN DRIEËNHUIZEN (B.P.) -   Integrated Electrostatic RMS-to-DC Converter  -  . Ph.D. Thesis, Delft University (1996).

  • (6) - DE GRAAF (G.), BARTEK (M.), XIAO...

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