Depuis leur lancement à bord des véhicules automobiles à la fin des années 70, les systèmes de protection par airbag (coussins gonflables) ont connu une évolution considérable. Leur importance pour la sécurité routière est aujourd'hui unanimement reconnue par les industriels, les pouvoirs publics et les consommateurs. Ces dispositifs réduisent en effet de façon sensible les blessures en cas d'accident, et sauvent chaque année plusieurs milliers de vies.

Aujourd'hui, en Europe, la plupart des véhicules commercialisés sont équipés de coussins gonflables, à l'avant comme à l'arrière. Selon certaines études, 180 millions d'airbags seront en service dans le monde en 2010, et de nouvelles opportunités vont contribuer à la croissance de ce marché. Parmi celles-ci, notons la généralisation des coussins latéraux pour la protection de la tête, du torse et des genoux, les systèmes de détection de tonneau et de présence des passagers.

Les réglementations nationales, ainsi que les organismes indépendants spécialisés dans les essais d'impact comme EuroNCAP, obligent les constructeurs à réaliser des véhicules toujours mieux équipés et susceptibles de passer avec succès les tests de sécurité les plus sévères.

Pour répondre à ces exigences de sécurité de plus en plus fortes, le nombre de capteurs d'accélération utilisés pour détecter un impact a considérablement augmenté. De fait, jusqu'à six accéléromètres peuvent équiper les modèles haut de gamme. En outre, les concepteurs de tels composants sont dans l'obligation d'utiliser de nouveaux matériaux et des technologies originales afin que le coût global du système d'airbag reste compétitif.

Dans ce domaine, les technologies de capteurs basées sur des systèmes microélectromécaniques (Mems) ont sensiblement progressé au cours de ces dernières années, en liaison avec les améliorations permanentes réalisées dans le processus de fabrication des semiconducteurs.

Pour détecter une accélération, l'une des méthodes les plus usuelles consiste à mesurer le déplacement d'une masse sismique mobile, qui est ensuite traduit en une mesure de variation de capacité.

Spécialiste des accéléromètres Mems, Freescale est aujourd'hui en mesure de fournir des solutions innovantes afin d'aider ses clients à s'imposer sur leur marché. Pour ce faire, la société a opté pour une approche multipuce. Cette dernière repose, d'une part, sur un élément de détection capacitif micro-usiné, d'autre part, sur un circuit intégré spécifique. Cet Asic a une mission de conditionnement du signal et prend en charge les opérations de conversion, d'amplification et de filtrage.

L'intégration de deux puces, le transducteur Mems et le circuit de commande, dans un boîtier en plastique apporte des avantages notables. Cela permet notamment de recourir à des technologies différentes, adaptées et optimisées pour chaque fonction à réaliser (détection, mesure et traitement de la grandeur physique). La plus grande partie de la production tire actuellement profit d'un élément de détection en polysilicium de 3 µm de hauteur et d'un Asic en Cmos 1,2 µm.

Dans les applications de sécurité, il est essentiel que l'accéléromètre ait un temps de réponse très court. Il doit réagir instantanément afin de déterminer l'instant où le coussin gonflable sera déclenché. A cet égard, un transducteur dont le temps d'établissement est exempt d'oscillations améliore la réactivité du système. De plus, par définition, un capteur inertiel est extrêmement sensible aux accélérations de toutes origines. Parmi les données transmises par le capteur en cas de collision, l'algorithme de l'airbag doit seulement reconnaître la signature correspondant à un impact réel. C'est la raison pour laquelle le signal de sortie du capteur est typiquement « nettoyé » de toutes les hautes fréquences parasites, par l'intermédiaire d'un filtre passe-bas électronique dont la fréquence de coupure est de 400 Hz environ. Un capteur propre à éliminer directement, au niveau de l'élément de détection, le contenu haute fréquence d'une accélération constitue à ce titre un plus indéniable.

Afin d'améliorer le niveau des performances indiquées ci-dessus, une nouvelle technologie de transducteur a été développée. Elle consiste à augmenter l'épaisseur de la structure de l'élément sensible. Dans la mesure où la hauteur de l'élément mobile est nettement supérieure à l'écartement et aux largeurs de cette structure, la technologie a été baptisée Harmems pour « High aspect ratio Mems » , où le rapport en question s'exprime entre le film d'air créé et la profondeur de la tranchée. Ce haut rapport d'aspect est obtenu en empilant plusieurs couches de silicium épitaxié (Epi) jusqu'à une épaisseur de 20 µm, et des tranchées dont la largeur n'excède pas 1,5 µm, en utilisant la méthode DRIE (gravure ionique réactive profonde).

Cette structure Harmems, enfermée dans une cavité pressurisée, assure une réaction mécanique amortie. La figure 1 montre la réponse mécanique d'une structure Harmems, en comparaison d'un système résonant de type Poly-Si (Poly silicon Mems) de 3 µm, actuellement en production. La structure Poly-Mems est excitée jusqu'à la résonance (dans le cas présent, au-delà de 10 kHz). A contrario, la structure Harmems n'affiche aucun pic de résonance, mais plutôt une fréquence de coupure inférieure à 1 kHz.

L'utilisation de la technologie Harmems apporte d'autres avantages. En particulier, l'augmentation de la valeur de la capacité de mesure par unité de surface conduit à une variation supérieure de la capacité en fonction de l'accélération. Ce qui a pour effet d'accroître le rapport signal/bruit du transducteur, et de réduire le niveau de gain nécessaire dans la chaîne de traitement du signal. Les erreurs induites par le capteur et l'Asic sont alors diminuées, de même que l'erreur globale affectant le système.

Le développement d'un nouveau circuit de contrôle, conjugué aux progrès réalisés en matière de boîtier, a permis d'obtenir d'autres améliorations. Ainsi, une technologie submicronique à signal mixte (analogique/numérique) s'est substituée au traditionnel Cmos. Elle présente en effet l'intérêt d'associer des blocs analogiques de haute précision à une logique Cmos ultrarapide. Les derniers développements ont recours à une technologie basée sur une logique à double grille éprouvée (0,25 µm min.), baptisée SmartMos8mv. Les fonctions électroniques les plus courantes peuvent ainsi être implantées, qu'il s'agisse de régulateurs de tension, de convertisseurs analogique/numérique, d'amplificateurs opérationnels, de coeurs de microcontrôleurs ou de mémoires de type Eeprom. L'isolation par tranchée élimine les effets parasites, ce qui a pour conséquence la réduction des blocs analogiques et, par suite, la taille de la puce. Grâce à une logique haute densité (~ 25 000 portes/mm ² ), il est possible d'intégrer des machines d'états complexes ou des DSP avec de nombreuses options d'ajustement paramétrique.

La mise en boîtier de la structure Mems est également vitale, compte tenu de son impact direct sur les caractéristiques finales du produit (contraintes mécaniques, transmission des chocs, etc.), sa fiabilité et son coût. Partie centrale de l'accéléromètre, l'élément sensible doit être protégé du plastique injecté lors du moulage du boîtier. Ce problème est résolu en couvrant la structure mobile d'un capot en silicium, scellé hermétiquement par une soudure verre. Ce processus protège l'élément sensible des particules susceptibles de perturber son fonctionnement. Avec une telle protection, le transducteur traverse toutes les étapes ultérieures (découpe, conditionnement) sans le moindre dommage.

Par rapport à la génération de produits actuellement en production où les puces sont assemblées côte à côte, les futurs accéléromètres auront recours à une méthode d'empilement des puces. Un nouveau boîtier de type QFN, aux dimensions réduites (6 x 6 x 1,98 mm) et sans pattes, sera employé. Parmi ses attraits, citons le faible volume occupé et le cycle de fabrication raccourci, grâce au nombre réduit d'étapes nécessaires.

Des accéléromètres réalisés dans ces technologies sont actuellement en cours de développement. Ainsi, un capteur deux axes XY, destiné à l'unité de commande électronique (ECU) principale de l'airbag, associera un transducteur Harmems et un Asic SmartMos8mv dans un boîtier plastique. Une fonction complète de conditionnement du signal numérique est mise en oeuvre au moyen d'un convertisseur sigma-delta 16 bits, destiné à assurer l'interface entre l'élément capteur et le bloc DSP (figure 2). La puissance de traitement apporte des fonctions nouvelles de programmation (possibilité de sélectionner différents filtres ou la plage d'accélération), tandis que des diagnostics automatiques seront régulièrement effectués en cours de fonctionnement (auto-test). L'élément sensible amorti et le boîtier QFN assurent, au moment de l'impact, l'immunité aux signaux haute fréquence indésirables, tandis que la protection contre la saturation des signaux contribue à l'obtention de caractéristiques linéaires. Enfin, l'interface SPI et la sortie analogique sous 3,3 ou 5 V sont, pour l'utilisateur, garants d'une souplesse de conception maximale.