Capteurs miniaturisés : ce qu'ils mesurent, et ce qu'ils affichent

Un accéléromètre MEMS de série lit une capacité d’environ 0,15 picofarad entre deux peignes de silicium écartés de cinq microns. Il ne mesure pas un mouvement, ni une accélération, ni un choc : il mesure une capacité. Tout le reste sort de la puce collée à côté. Un capteur miniaturisé, quel qu’il soit, ne sait relever que quatre grandeurs physiques : une température, un déplacement, un courant, une quantité de lumière. Des watts, une fréquence cardiaque, une durée de sommeil, une usure de roulement : rien de tout ça n’est mesuré. Tout est calculé par-dessus.

Ce détail décide de ce qu’on peut faire d’un relevé. Deux sondes de la même famille, posées au même endroit, rendent deux nombres différents parce que leur étalonnage et leur fenêtre de moyennage diffèrent, pas parce que la grandeur a bougé.

Quatre grandeurs physiques, et pas une de plus

La température se lit sur une résistance qui change avec la chaleur, la thermistance, ou sur la tension d’une jonction en silicium gravée dans la puce à surveiller. Dans les deux cas, le circuit qui suit voit arriver une tension. Une tension, et rien de plus.

Un déplacement, lui, se transforme en capacité. Deux électrodes se font face, l’une fixe, l’autre portée par une masse suspendue à des ressorts de silicium ; la masse recule quand l’objet accélère, l’écartement change, la capacité suit. Le même montage sert dans un accéléromètre, un gyroscope, un microphone MEMS et un capteur de pression. Seule diffère la chose qui pousse la partie mobile.

Le courant, personne ne sait le lire directement. On le contourne. On pose en série une résistance de valeur connue, le shunt, et on mesure les quelques millivolts qui apparaissent à ses bornes. La variante sans contact remplace le shunt par un capteur à effet Hall, sensible au champ magnétique qui entoure le conducteur.

Quant à la lumière, une photodiode rend un courant proportionnel au flux qu’elle reçoit, et un premier étage le convertit en tension.

Les quatre familles finissent donc au même endroit : une tension de quelques millivolts, qu’un amplificateur remonte et qu’un convertisseur transforme en nombres. Toujours une tension. C’est cette convergence qui a rendu la miniaturisation possible. Un seul type de circuit aval sert un capteur de température, un accéléromètre, un shunt et une photodiode, et il se grave sur le même silicium que l’élément sensible.

Un rig de minage porte trois de ces quatre familles

Une carte graphique en fonctionnement les emploie toutes les trois sans que personne y pense. La chaleur d’abord, et elle ne se relève pas en un point. AMD a remplacé la sonde unique voisine de la diode thermique historique par un réseau réparti sur toute la puce, d’abord sur la Radeon VII, puis sur la série RX 5700. Les fréquences montent tant qu’aucune sonde du réseau n’atteint 110 °C de température de jonction. Le constructeur l’a écrit noir sur blanc : 110 °C en charge de jeu, c’est attendu et conforme aux spécifications.

Ce que le logiciel de surveillance appelle « température du GPU » est donc le maximum d’un réseau, pas la température de la carte. Deux utilitaires qui lisent deux registres différents affichent deux nombres, tous les deux justes, et l’écart entre le cœur et le point chaud atteint couramment quinze à vingt degrés sur les cartes récentes. Selon l’utilitaire ouvert, on s’inquiète ou on ne s’inquiète pas. Pour la même machine.

La mémoire graphique porte son propre réseau, distinct de celui de la puce. On l’oublie souvent. Les modules GDDR6X collés au dos du circuit imprimé chauffent par conduction depuis la face avant, et leur température de jonction monte parfois de trente degrés au-dessus de ce qu’affiche le cœur. Un minage qui martèle la mémoire plutôt que les unités de calcul y arrive en quelques minutes. La sonde existe, le pilote la publie, et beaucoup d’utilisateurs surveillent quand même un chiffre qui ne décrit pas la pièce qui souffre.

Le ventilateur, lui, travaille sur du déplacement. Un aimant du rotor passe devant un capteur à effet Hall à chaque tour, le troisième fil du connecteur bascule d’état, et la carte mère chronomètre l’intervalle entre deux fronts. Elle ne compte rien. La vitesse affichée en tours par minute est une période convertie, pas un comptage. Le quatrième fil, celui du signal PWM normalisé à 25 kHz, ne mesure rien. Il commande. Un ventilateur qu’on fait tourner à mi-régime le dit par ce troisième fil, et c’est par cette lecture qu’on vérifie qu’une consigne a bien été suivie quand on pose un contrôleur de ventilateur sur un rig.

Le courant se relève sur les rails 12 V de la carte : des shunts de très faible valeur y laissent apparaître quelques millivolts, que le microcontrôleur de bord échantillonne. Quelques millivolts. C’est de là que sort le chiffre en watts affiché par le pilote.

Reste la lumière. Un rig n’en fait rien, sauf allumer des diodes d’état. Toute l’électronique portée sur le corps vit dessus.

La puissance affichée par une carte est une moyenne, pas un relevé

Le nombre en watts que rend le pilote ne sort pas directement des shunts. Il sort d’une moyenne glissante calculée par le microcontrôleur, et la fenêtre de cette moyenne change d’une génération à l’autre. Trois chercheurs d’Oxford ont mesuré ces fenêtres et publié le détail : une RTX 3090 intègre sur 100 millisecondes toutes les 100 millisecondes, tandis qu’une A100 et une H100 n’intègrent que 25 millisecondes par tranche de 100. Sur ces dernières, trois quarts de l’intervalle ne sont jamais regardés. Le registre lui-même, sur les architectures Ampere, Ada et Hopper, se rafraîchit par défaut une fois par seconde. Une seconde, pour une puce dont la charge change bien plus vite.

Leur conclusion sur la marge d’erreur compte pour qui calcule une facture. L’écart réel se comporte comme un pourcentage, de l’ordre de 5 %, et non comme les 5 W annoncés : sur une machine à 700 W, ça fait 35 W d’incertitude au lieu de 5. En appliquant les précautions qu’ils décrivent, l’erreur sur l’énergie consommée tombe de 39 % à 5 % environ.

Les mesures indépendantes prennent le problème par l’autre bout. TechPowerUp ne lit aucun registre. Le laboratoire pose son instrumentation sur les connecteurs d’alimentation et sur le port PCI Express, échantillonne 40 fois par seconde côté continu, et précise noir sur blanc que ses valeurs ne sont pas des lectures de capteurs logiciels. Le prix à payer est celui d’un banc de mesure. Le résultat ne couvre que la carte, pas la machine, et personne ne monte ça chez soi.

On ne facture donc jamais du courant sur un chiffre de pilote. Le wattmètre de prise mesure une autre grandeur : de l’alternatif, au mur, pertes de l’alimentation comprises, et c’est celle-là qui figure sur la facture. L’écart entre les deux nombres mesure le rendement de l’alimentation du rig, et il se relève une fois pour toutes.

Ce que 1991 a rendu possible

Le principe est ancien. La mesure capacitive d’une masse suspendue existait bien avant qu’on sache la graver dans du silicium, et ce qui a changé date de 1991, quand Analog Devices a sorti l’ADXL50, premier composant micro-usiné en surface vendu au catalogue. Sa nouveauté tenait à ce qui partageait la pastille de silicium avec l’élément sensible : l’amplificateur, la mise en forme du signal et un autotest, gravés à côté du ressort et de la masse. Le composant sortait d’usine avec une sensibilité ajustée à 19 mV/g, pour une excursion de ±0,95 volt à ±50 g.

Cette cohabitation n’était pas un raffinement, c’était la condition. Une capacité de 0,15 picofarad ne survit pas à un câble. La moindre longueur de fil ajoute une capacité parasite du même ordre de grandeur, et le signal disparaît dans ce qui l’entoure. Tant que l’amplificateur restait dans un rack, l’élément sensible devait être gros pour rendre un signal transportable. En le collant à quelques dizaines de microns de la masse mobile, on a pu rendre celle-ci minuscule. Le capteur a rétréci parce que son amplificateur s’est rapproché, pas l’inverse.

Un accéléromètre industriel de catalogue donne les ordres de grandeur d’aujourd’hui. Les plaques mobiles font autour de 1 000 microns de long sur 600 de large, pour 5 à 10 microns d’épaisseur, séparées de leurs vis-à-vis par 5 microns ; la capacité au repos tourne autour de 0,15 picofarad ; une plaquette de silicium de quatre pouces en produit environ 1 600. Le circuit de mise en forme sort en ±4 volts, soit dix mille fois le signal d’origine.

Un accéléromètre capacitif répond depuis le continu, à 0 Hz : il voit donc une inclinaison qui ne bouge pas. Un accéléromètre piézoélectrique, lui, ne voit que ce qui varie. Surveiller un pont qui s’affaisse de deux millimètres par an, ou un corps qui reste immobile huit heures d’affilée, demande la première famille et pas la seconde. Beaucoup d’usages actuels tiennent à ce seul écart.

Le même composant, collé sur le châssis d’un rig, sait dire qu’un roulement de ventilateur se fatigue avant que sa vitesse ne bouge. Un roulement à billes usé produit des chocs répétés à une fréquence liée à sa géométrie, très au-dessus de la fréquence de rotation. Le compte-tours reste sur ses 1 800 tours par minute pendant des semaines. La consommation ne bouge pas non plus. L’énergie mécanique dans le haut du spectre, elle, monte. C’est ce qui rend cette famille de capteurs utile en industrie, où l’on remplace une pièce sur un signal plutôt que sur un calendrier. Sur un rig domestique, la mise en œuvre reste artisanale. Le mécanisme, lui, est celui qui compte les pas dans un téléphone.

L’étalonnage coûte plus cher que l’élément sensible

« Sensibilité ajustée en usine à 19 mV/g » : cette formule de la fiche de 1991 dit où est passé l’argent. Graver 1 600 éléments sensibles sur une plaquette coûte quelques centimes la pièce, et ce coût baisse encore chaque fois qu’on grave une plaquette de plus. Les régler un par un, sur un banc, contre une référence, à plusieurs températures, coûte du temps de machine et un opérateur. Ce coût-là ne se divise par rien.

Le réglage se refait à plusieurs températures pour une raison qui touche les quatre familles à la fois. Un convertisseur ne rend jamais une tension : il rend un rapport entre ce qu’il voit et sa propre référence interne. Que cette référence glisse de 1 % avec la chaleur, et tous les relevés glissent de 1 % avec elle, shunt parfait ou pas. D’où le wattmètre bon marché posé contre un rig chaud, qui ne dit pas la même chose en juillet et en janvier alors que la machine tire pareil. Compenser cette dérive suppose de l’avoir mesurée, pièce par pièce, sur toute la plage de température. Personne ne fait ça pour douze euros.

Un piège précède celui du prix, et il fait acheter le mauvais outil. Beaucoup de pinces bon marché n’enserrent qu’un transformateur de courant, une simple bobine autour du conducteur. Une bobine ne répond qu’à un champ qui varie, donc elle ne lit que de l’alternatif : posée sur un câble 12 V continu entre l’alimentation et une carte, elle affiche zéro sans que rien ne signale l’erreur. Seule une pince à effet Hall lit les deux. Ça se lit sur la fiche, jamais sur le prix. Sur la prise murale, la question ne se pose pas ; dès qu’on veut relever ce qui passe côté continu, elle décide si l’instrument sert à quelque chose.

Reste le prix. Entre une pince ampèremétrique à douze euros et une à cent vingt, l’élément à effet Hall sort souvent de la même famille. Ce qui diffère, c’est le réglage un par un, la compensation en température, et ce que le firmware fait des échantillons avant de les afficher. Un capteur bon marché reste aussi stable qu’un autre ; il est décalé, et il l’est de la même quantité tous les jours.

La nuance sert tous les jours. Un instrument fidèle mais décalé suit très bien une évolution : si la consommation du rig monte de 40 W après un changement de réglage, la hausse est réelle même si les deux nombres sont faux de 6 % chacun. Le même instrument ne sert à rien pour dire à un tiers combien la machine tire, parce que là il faut un nombre juste, et la justesse s’achète avec une chaîne d’étalonnage. On croit souvent payer de la précision ; on paie de la traçabilité.

Les mêmes familles, portées au doigt

L’électronique de santé grand public a repris les trois familles compatibles avec un corps. Elle les a logées dans un volume que personne n’aurait annoncé il y a quinze ans. Un modèle de 2026, le RingConn Gen 3, tient dans un anneau de titane de 2,5 à 3,5 grammes selon la taille du doigt. Il embarque un capteur optique de fréquence cardiaque, une sonde de température et un accéléromètre trois axes, plus un moteur de vibration, et annonce dix à quatorze jours entre deux charges au 8 septembre 2026. Le relevé de ce que chaque modèle sait mesurer est tenu à jour par Bagues Connectées.

La quatrième famille, le courant, ne sert là qu’à compter ce qui sort de la batterie. Tout le reste s’appuie sur la lumière, la température et le déplacement, et la couche de calcul posée par-dessus est bien plus épaisse que celle d’un rig.

Une fréquence cardiaque, sur ce genre d’objet, n’est pas mesurée. Une diode éclaire le doigt, une photodiode recueille ce qui revient, et le sang qui passe à chaque battement absorbe un peu plus de lumière ; le capteur voit donc une courbe qui ondule. L’électronique compte le temps entre deux sommets. Rien d’autre. La variabilité cardiaque, elle, sort de l’écart entre ces intervalles successifs. La fréquence respiratoire se lit dans une modulation lente de la même courbe, parce que la respiration fait varier le retour veineux. Quant aux phases de sommeil, elles viennent d’un mélange entre l’accéléromètre, la fréquence cardiaque et sa variabilité, arbitré par un modèle que le constructeur ne publie pas. Un modèle, donc, pas une mesure.

Le doigt a un avantage physique sur le poignet pour ce genre de lecture : il est mieux irrigué, et l’ondulation du signal optique y est plus franche. L’endroit où on pose le capteur pèse donc autant que le capteur. La même remarque vaut pour une sonde de température de rig posée sur le radiateur plutôt qu’au contact du composant.

Ce que la miniaturisation n’a pas résolu

La température lue au doigt ou au poignet n’est pas la température du corps. C’est une température de peau. Périphérique, sensible à l’air de la chambre, à la position du bras, à la vasoconstriction de fin de nuit, et donc à trois choses qui n’ont rien à voir avec l’état du dormeur. L’écart avec la température centrale se chiffre en quelques dixièmes de degré. Mais il bouge. Il dépend de conditions qui changent d’une nuit à l’autre.

Les constructeurs en tiennent compte, et c’est pour ça qu’aucun de ces objets n’affiche une température absolue. Ils affichent un écart à votre propre moyenne, établie sur plusieurs nuits. Garmin va jusqu’à demander de retirer l’appareil vingt minutes, le temps que le capteur se recale sur l’ambiance. Cet écart à sa propre moyenne est la seule grandeur que la mesure autorise.

La limite de ce qu’on sait est la même des deux côtés. Un capteur de laboratoire annonce une incertitude et la chaîne d’étalonnage qui la justifie. Un capteur grand public, sur un rig comme au doigt, annonce une tendance. C’est autre chose. Aucun constructeur de matériel informatique ne publie la dérive de ses sondes au bout de deux ans de fonctionnement continu. Aucun fabricant d’objet porté ne publie l’incertitude de sa température cutanée. Les deux silences se ressemblent. Le contrat est simplement autre : ces capteurs se vendent pour se comparer à eux-mêmes dans le temps, pas pour arbitrer entre deux machines.

Les travaux publiés divergent plus sur la couche de calcul que sur les capteurs eux-mêmes. Les mesures d’Oxford portaient sur la façon dont une puce moyenne son propre courant, pas sur la qualité des shunts. Le nombre affiché dépend d’un choix de fenêtre qu’aucune fiche technique ne mentionne.

Ce qu’un propriétaire de rig en tire

La température de jonction se surveille avant celle du cœur, parce que c’est elle qui déclenche la baisse de fréquence. Un rig qui perd du hachage en fin d’après-midi le montre sur le point chaud avant de le montrer ailleurs, et un écart entre deux cartes identiques peut venir de deux réseaux de sondes autant que d’une pâte thermique fatiguée, ce qui n’appelle pas le même démontage.

La consommation, elle, se relève au mur, avec un instrument dédié, et le relevé se date. Le chiffre du pilote suit une tendance heure par heure. Il ne calcule pas un seuil en euros par kilowattheure : les 5 % qu’il traîne suffisent à déplacer un point de rentabilité.

Enfin, une vitesse de ventilateur à zéro ne justifie aucun démontage tant qu’on n’a pas regardé. Le signal vient d’un capteur à effet Hall, et un capteur mort sur un ventilateur qui tourne rend exactement la même valeur qu’un ventilateur bloqué. Une main au-dessus du flux tranche en dix secondes, et l’oreille aussi. Le logiciel, lui, ne tranchera jamais. La même prudence vaut pour les pièces silencieuses d’un rig, à commencer par les risers, dont aucun capteur ne signale la dégradation avant la panne.