A high sensivity MEMS-based accelerometer

Présentation de Laurent Guerineau (SERCEL) au Workshop "Instrumentation Géophysique" | 3-5 juillet 2017, Brissac

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1. QuietSeisTM A high sensitivity MEMS-based accelerometer Workshop RESIF « Instrumentation Géophysique » Laurent GUERINEAU 3-5 Juillet 2017
2. Introduction SERCEL • Société française, filiale de CGG, créée en 1956 • 2000 employés, implantation internationale • Leader sur le marché de l’instrumentation sismique pour la prospection géophysique, de la conception jusqu’à la mise en service sur le terrain dans tout type d’environnement, bien souvent hostile (-40°/+70°C) : mer, zones de transition, terre 3
3. Introduction Contexte • En prospection géophysique, l’imagerie du sous sol et notamment des cibles complexes et profondes requiert l’usage de capteurs sismiques à «large bande passante» - En basse fréquence: pour obtenir une imagerie profonde - En haute fréquence: pour obtenir une bonne résolution • pour ces surveys de sismique réflexion, des géophones analogiques sont traditionnellement utilisés mais: - sensibles en température, aux perturbations EM, aux dérives dues au vieillissement, bande passante limitée, réponse en fréquence non plate ,… Historique • Début développement accéléromètres numériques MEMS à SERCEL depuis fin des années 90, avec le CEA/LETI. • 1 ère génération MEMS: DSU408, sortie en 2003 • MEMS dernière génération : QuietSeis • ~650 000 traces vendues (90% en 3C) 4
4. Introduction Cahier des charges MEMS pour prospection géophysique: • Amélioration opérationnelle (réduction des contraintes logistiques et HSE) et économique: - Faible Consommation : ≫ maximisation du nombre de capteurs/câble, ≫ minimisation du nombre de batteries à gérer sur le survey - Faible Encombrement: réduction impact HSE et diminution coût manutention - Coût modéré • Amélioration performances géophysiques - Large bande passante, réponse en fréquence constante - Forte sensibilité - Très faible bruit - Faible sensibilité transversale - Faible distorsion harmonique 5
5. Structure mécanique Caractéristiques • MEMS silicium capacitif ~ 5mm x 5mm • Masse sismique silicium ~1mg suspendue par ressorts fixés au cadre, mobile selon axe sensible • Peignes d’électrodes inter-digitées (4 groupes) - Electrodes mobiles (solidaires de la masse sismique) - Electrodes fixes (solidaires du cadre) - 2 groupes « seismic »: mesure d’accélération - 1 groupe « offset »: compensation de la gravité (capteur omnitilt, mesure son inclinaison) - 1 groupe « test »: built-in tests gain et distorsion 6
6. Structure mécanique Fonctionnement basique 7 Accélération sol Mouvement du cadre Masse sismique stationnaire Mouvement relatif masse/cadre Détection capacitive variation gap inter-électrodes mouvement relatif masse/cadre Accélération sol
7. Structure mécanique Fabrication • Gravure profonde DRIE de centaines de MEMS par wafer : - Masse sismique limitée pour maximiser le nombre de MEMS et réduire les coûts • Puces encapsulées hermétiquement dans packaging céramique • Vide poussé et maintenu par Getter pour réduire le bruit brownien (généré par impact des molécules d’air sur la masse sismique) 8
8. Structure mécanique Fabrication - Kb : Constante de boltzmann - T: Température (Kelvin) - w0 : pulsation de résonance mécanique - m: masse sismique (~1.10-6kg) - Q: facteur de qualité • Augmentation du facteur de qualité (Q) par vide poussé est le seul moyen pour atteindre un faible bruit brownien pour un MEMS de faible masse sismique 9 2 = 40 Système masse-ressort très résonant dans la bande sismique!
9. Détection de position Description • Déplacement relatif de la masse sismique mesuré par ASIC dédié - Détection de position capacitive - Capacité Cm entre la masse sismique et le cadre évolue avec la distance inter-électrode (~ quelques µm) - Tension V(t) en sortie du détecteur de position proportionnelle au déplacement de la masse xr (t) - V : Tension de référence - Cref : Capacité de référence - 0 : permittivité de l’air - Se : Surface des électrodes - gap: distance nominale inter-électrodes (quelques µm) 10 = ∆ × 20 2 ×
10. Boucle d’asservissement • MEMS ultra-résonant dans la bande sismique non souhaitable : - réponse en fréquence non plate - bande passante trop étroite • Fonctionnement en boucle ouverte non compatible avec nos exigences de - Faible coût : ≫ requiert une grosse masse sismique pour diminuer le bruit brownien - Faible bruit : ≫ bruit brownien plus élevé à taille équivalente - Large bande passante et forte sensibilité: ≫ la résonance mécanique devrait être écartée loin de la bande sismique ce qui entrainerait une forte diminution de la sensibilité (1/o 2) • Mise en œuvre d’une boucle d’asservissement pour contrer ces inconvénients et apporter des bénéfices supplémentaires 11
11. Boucle d’asservissement Description • Filtre digital à fort gain • Electrodes de contre-réaction : - Ramènent la masse sismique à sa position d’équilibre (actionneur électrostatique) • Fonction de transfert en boucle fermée: 12
12. Boucle d’asservissement Boucle ouverte vs. boucle fermée • Fonction transfert boucle ouverte - Sensibilité dépendante de la fonction de transfert du MEMS et du détecteur capacitif de position - Fortes disparités mécaniques (dispersion de gravure et/ou de process) peuvent aboutir à une variation de la raideur des ressorts de 20%, ce qui entraine une forte disparité sur la sensibilité et la fréquence de résonance en BO • Fonction de transfert boucle fermée - Sensibilité uniquement dépendante de la boucle de contre-réaction, générée par l’ASIC et plus facile à rendre stable et précise. Bénéfices du fonctionnement boucle fermée • Réponse en fréquence parfaitement plate jusqu’à DC: - Précision gain: 0,1% typ., <0,25% - Précision phase: <20µs, pas de coupure BF donc aucune distorsion de phase • Bande passante plus large : DC-800Hz • Distorsion très faible: THD<-90dB car faibles déplacements (quelques nm) qui autorisent un fonctionnement des ressorts en régime linéaire. • Temps de récupération (après saturation) immédiat (~ms vs ~100ms en BO) 13
13. Niveau de bruit Actions de réduction de bruit • Objectif <15ng/sqrt(Hz), 10-200Hz - -10dB vs. génération précédente • Diminution bruit électronique: - Détecteur de position: tension de référence moins bruitées - Actionneur de contre réaction: diminution du bruit en amplitude et phase du signal injecté dans les électrodes • Diminution du bruit mécanique: - Niveau de vide plus poussé: bruit brownien plus faible - Optimisation du design mécanique pour limiter les modes de vibration parasites haute fréquence qui peuvent être repliés dans la bande sismique et ainsi impacter le niveau de bruit et la stabilité de l’asservissement : ≫ sur-échantillonnage ≫ analyse modale FEA du MEMS et des électrodes en HF (quelques centaines de kHz!) 14
14. Niveau de bruit Caractérisation du bruit propre • Niveau faible de bruit nécessite environnement extrêmement silencieux • Mesures au LSBB: Laboratoire Souterrain à Bas Bruit - ancien silo de missile, décommissionné en 1997 - Site enfoui à 500m dans environnement montagneux rural distant de toute activité - Niveau de bruit proche du NLNM (Peterson,1993): 0.4ng/sqrt(Hz) 15
15. Niveau de bruit Mesures • MEMS V: - 12ng/sqrt(Hz), 10-200Hz - 60ng/sqrt(Hz)@1Hz • MEMS H: - Pas compensation gravité - 10ng/sqrt(Hz), 10-200Hz - 30ng/sqrt(Hz)@1Hz Dynamique • Pleine échelle: 0.5g • Dynamique: 131dB @ 4ms - +10dB MEMS sismique qui dispose du niveau de bruit le plus faible et la dynamique la plus grande du marché 16
16. Sismologie Classification ANSS (Advanced National Seismic System) 17
17. Sismologie Strong motion • Intensité instrumentale VIII • Pleine échelle 0.5 g vs. 3.5g pour Class A 18 Pleine échelle QUIETSEIS (5m/s2)
18. Sismologie Weak motion • bande 2-50Hz: - Dynamique 131dB: Class A - Niveau de bruit : 18dB meilleur que spec Class A • Bande 0,02Hz-2Hz: - Dynamique ~120dB vs. 145dB - Niveau de bruit : ~8dB supérieur à spec Class A • Majorité séismes <0,5g • Niveau de bruit VLF (0,02Hz-2Hz) semble compatible avec détection de la majorité des séismes régionaux (100km) ou locaux (10km) • Bruit QuietSeis < High Noise Model de peterson jusqu’à 0,1Hz environ 19 Clinton, 2002 0,5g
19. Conclusion 20 Conclusion • Gains de performance réalisés sur nouvelle génération de MEMS Sercel rendent possible son utilisation en sismologie, même si non Class A. • Particulièrement adapté pour déploiement de réseaux denses de capteurs autonomes ou cablés faible bruit pour les problématiques de risque sismique, de tomographie de failles, de Structural Health Monitoring,… - Performances élevées, basse consommation (<85mW), faible encombrement, coût modéré • Compétitif vs. FBA, en termes de coût, compacité et consommation, tout en offrant une bande passante plus élevée.