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Capteurs MEMS capacitifs vs piézorésistifs : principe et usages

Les accéléromètres et capteurs de pression MEMS convertissent en signal électrique le déplacement d'une masse ou la flexion d'une membrane sous l'effet d'une force. Le type capacitif mesure le déplacement à partir de la variation de capacité entre une électrode mobile et une électrode fixe. Il consomme peu et est peu sensible à la température, mais la variation est infime et nécessite un circuit dédié de haute sensibilité. Le type piézorésistif exploite la variation de résistivité du silicium sous contrainte et la lit avec un circuit en pont. Le circuit est simple et la sortie facile à exploiter, mais comme un courant circule en permanence, la consommation est élevée et la compensation des variations dues à la température est indispensable.

CritèreCapacitifPiézorésistif
Principe de détectionVariation de capacité entre une électrode mobile et une électrode fixeVariation de résistivité sous contrainte (effet piézorésistif)
Structure de l'accéléromètreUne masse suspendue par des ressorts porte des électrodes mobiles en peigne, et l'on mesure la différence de capacité avec les électrodes fixes de chaque côté (mesure différentielle)Des résistances sont intégrées dans les poutres qui supportent la masse, et l'on mesure la contrainte lorsque les poutres fléchissent
Structure du capteur de pressionOn mesure la capacité entre une membrane qui fléchit sous la pression et une électrode en vis-à-visQuatre résistances sont intégrées au bord d'une membrane mince et forment un pont de Wheatstone
Signal luVariation de capacité très faible (parfois inférieure au fF dans un accéléromètre). Nécessite un ASIC dédié qui convertit la capacité en tensionLa variation de résistance est extraite sous forme de tension du pont. Circuit simple
ConsommationFaible. Aucun courant continu ne circulePlutôt élevée. Un courant continu circule en permanence dans le pont
Effet de la températureFaibleLa valeur de résistance et la sensibilité varient fortement avec la température : compensation en température indispensable
Sensibilité et résolutionGrâce aux électrodes différentielles et à un circuit très sensible, de faibles accélérations et de très faibles pressions se mesurent facilement avec une haute résolutionBonne linéarité de la sortie. Sensibilité relativement faible, mais adapté aussi à la mesure de fortes pressions et de chocs
Mesure à l'état statique (force constante)Possible (mesure aussi la gravité)Possible (mesure aussi la gravité)
Robustesse aux perturbationsSensible à la capacité parasite des connexions et au bruit électrique : le circuit est placé près du capteurFaible impédance, peu sensible à la capacité parasite
FabricationRéalisé notamment par micro-usinage de surface, et facile à loger dans un petit boîtier avec la puce de circuitMembranes et poutres réalisées surtout par micro-usinage de volume, résistances formées par implantation ionique ou diffusion
Usages typiquesAccéléromètres et gyroscopes des smartphones, etc., microphones MEMS, baromètres à faible consommationPression du moteur et des pneus en automobile, tensiomètres, manomètres industriels, accéléromètres pour les chocs

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Capacitif
Pour réduire la consommation d'un appareil sur batterie, pour rester stable dans un environnement aux fortes variations de température, ou pour mesurer de faibles variations avec une haute résolution.
Piézorésistif
Pour simplifier le circuit, lorsque la linéarité et la facilité d'exploitation de la sortie priment, ou pour mesurer de fortes pressions ou des chocs.
Précautions de choix
Les performances d'un produit réel varient fortement non seulement selon la structure du capteur, mais aussi selon le circuit associé, la compensation en température et le boîtier. On choisit en comparant sur les fiches techniques la consommation, la plage de mesure, la précision et la plage de température.

Questions fréquentes

La piézorésistivité et la piézoélectricité sont-elles la même chose ?

Non. L'effet piézorésistif est la variation de résistivité sous contrainte : on fait circuler un courant et on mesure la variation de résistance. L'effet piézoélectrique est l'apparition de charges dans un matériau sous contrainte. Lorsqu'une force constante persiste, les charges d'un capteur piézoélectrique s'échappent, si bien qu'il mesure mal une accélération constante comme la gravité, alors qu'un capteur piézorésistif peut la mesurer.

Pourquoi les accéléromètres des smartphones sont-ils capacitifs ?

Parce qu'ils consomment peu, sont peu sensibles à la température et se logent facilement dans un petit boîtier avec la puce de circuit. La variation de capacité est infime, mais elle est lue grâce aux électrodes différentielles et à un circuit très sensible.

Pourquoi un capteur piézorésistif nécessite-t-il une compensation en température ?

Parce que la valeur de résistance du silicium et l'amplitude de la variation de résistance sous contrainte (la sensibilité) varient toutes deux avec la température. Le montage des quatre résistances en pont annule une partie de l'effet, et le reste est corrigé par un circuit de compensation ou un étalonnage.

Vérifier vos connaissances

Quel est le principe de détection de l’accélération d’un accéléromètre MEMS capacitif ?

  1. ALa variation de résistance due aux changements de température
  2. BLa variation de capacité entre électrodes due au déplacement de la partie mobile (masse)
  3. CLa variation des franges d’interférence lumineuse
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Réponse : B. La variation de capacité entre électrodes due au déplacement de la partie mobile (masse)

Sous l’effet d’une accélération, la masse suspendue par des ressorts se déplace par inertie, ce qui modifie la distance aux électrodes fixes en peigne. Un circuit détecte la variation de capacité correspondante pour en déduire l’accélération. Le déplacement est de quelques nm au plus et la variation de capacité inférieure au fF (10⁻¹⁵ F), mais une configuration d’électrodes différentielle et un circuit très sensible permettent de la lire. Simple, peu gourmand en énergie et peu sensible à la température, ce capteur est largement utilisé, notamment dans les smartphones.

Quelle description de l’effet piézorésistif, utilisé notamment dans les capteurs de pression à semi-conducteur, est correcte ?

  1. AEffet par lequel la résistivité électrique d’un matériau varie sous l’application d’une contrainte mécanique
  2. BEffet par lequel une tension apparaît sous l’effet de la lumière
  3. CEffet par lequel la direction du courant est déviée par un champ magnétique
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Réponse : A. Effet par lequel la résistivité électrique d’un matériau varie sous l’application d’une contrainte mécanique

Sous contrainte, la structure de bandes du silicium cristallin est modifiée et sa résistivité varie plusieurs dizaines de fois plus que celle d’une jauge de déformation métallique (effet piézorésistif). En intégrant quatre résistances sur le bord d’une fine membrane qui se déforme sous la pression et en détectant la variation de résistance avec un pont de Wheatstone, on convertit la pression en signal électrique. Ces capteurs servent pour la pression des moteurs et des pneus automobiles, les tensiomètres, les baromètres, etc. ; la compensation en température est la clé de la conception.

Quelle est la méthode typique de conversion du son en signal électrique dans un microphone MEMS ?

  1. ADétecter la variation de température d’une résistance chauffée par le son
  2. BDétecter la quantité de lumière émise par un élément sous l’effet du son
  3. CDétecter la variation de capacité entre une membrane vibrant sous la pression acoustique et une électrode fixe
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Réponse : C. Détecter la variation de capacité entre une membrane vibrant sous la pression acoustique et une électrode fixe

Un microphone MEMS courant forme un condensateur entre une membrane mince d’environ 1 µm d’épaisseur qui vibre sous la pression acoustique et une électrode fixe perforée (contre-électrode) ; la variation de capacité due à la vibration est convertie en signal électrique par un ASIC situé dans le même boîtier. Plus petit que le microphone à électret classique, résistant à la chaleur du brasage et aux caractéristiques homogènes, il est utilisé en plusieurs exemplaires dans les smartphones, notamment pour la suppression de bruit.

  1. Dans un pont de Wheatstone formé de quatre résistances R1, R2, R3, R4 (R1 et R2 en série, R3 et R4 en série, les deux branches en parallèle), quelle est la condition pour qu'aucun courant ne circule entre les points milieux des deux branches (équilibre) ?
  2. Pourquoi un accéléromètre MEMS détecte-t-il une accélération d’environ 1 G même au repos ?

Questions d'entraînement sur MEMS et capteurs

Termes clés expliqués

Détection capacitive
Méthode qui détecte un déplacement, une pression, etc. à partir de la variation de capacité entre une électrode mobile et une électrode fixe. Très répandue dans les capteurs MEMS.
Effet piézorésistif
Effet par lequel la résistivité d'un matériau varie sous l'effet d'une contrainte mécanique. Particulièrement marqué dans le silicium, il est exploité dans les capteurs de pression à semi-conducteur.
Accéléromètre
Capteur qui détecte l'accélération à partir du mouvement d'une petite masse suspendue à un ressort. Utilisé pour détecter l'orientation des smartphones, dans les airbags, etc.
MEMS
Microsystèmes électromécaniques. Dispositifs intégrant des microstructures mécaniques et des circuits électroniques grâce aux techniques de microfabrication des semi-conducteurs.

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