Modélisation, conception et intégration de nouvelles architectures différentielles de capteurs résonants M/NEMS

Retour à la liste des thèses
Ajouté le: 11/04/2014
Directeur : JUILLARD Jérôme - jerome.juillard@supelec.fr
Titre : Modélisation, conception et intégration de nouvelles architectures différentielles de capteurs résonants M/NEMS
Thèmes : Électronique, opto-électronique, Nano-sciences, nanotechnologies
Automatique, Signal, Télécoms, Systèmes embarqués
Laboratoires : E3S Supélec Sciences des Systèmes EA 4454
Description :

Contexte scientifique
Les capteurs résonants permettent de relier la variation d’une grandeur physique (masse, accélération, pression, etc.) à une variation de la fréquence de résonance d’une structure mécanique (par exemple, un résonateur MEMS). Afin de suivre ces variations, le résonateur peut être placé dans une boucle de rétro-action électronique, permettant de compenser les pertes énergétiques de la structure et de la maintenir dans un état proche de la résonance. A ce jour, les électroniques les plus performantes sont celles reposant sur des boucles à verrouillage de phase (PLL), qui permettent de réguler finement le déphasage dans le système et de suivre précisément les variations de la fréquence de résonance. Cependant, les PLLs sont des systèmes complexes dont il est difficile d’intégrer le « cœur » (un oscillateur contrôle en tension, VCO) sur silicium sans que cela ne soit au détriment de leur précision.
Par ailleurs, les mesures réalisées à l’aide de capteurs résonants sont généralement entachées d’incertitudes, du fait des dérives des conditions de fonctionnement (température, humidité). Celles-ci affectent les propriétés mécaniques du silicium et se traduisent par des variations de fréquence de résonance indépendantes de la grandeur physique d’intérêt. Pour contourner ce problème, des architectures différentielles ont vu le jour, reposant soit sur deux capteurs séparés (l’un servant de référence à l’autre), soit sur des structures mécaniques particulières (conçues pour avoir deux modes de vibration affectés différemment par les dérives et par la grandeur d’intérêt). L’inconvénient de cette dernière approche est qu’elle nécessite un design mécanique ad hoc. La première approche est plus générale, mais nécessite deux fois plus de composants électroniques que l’approche non-différentielle. En conséquence, elle consommera deux fois plus que l’approche non-différentielle, occupera deux fois la même surface de silicium et, si elle repose sur des PLLs, nécessitera deux VCOs au lieu d’un.
Démarche
Cette thèse a pour ambition de mettre en œuvre de nouvelles architectures permettant de faire de la mesure résonante différentielle, sans nécessiter le doublement des ressources évoqué ci-dessus. Le principe de ces architectures est de faire fonctionner deux résonateurs M/NEMS en régime d’injection mutuelle, en phase ou en quadrature, ce qui peut se réaliser à faible coût à l’aide de composants électroniques digitaux, aisément intégrables et de faible consommation. Des développements théoriques préalables, dans un contexte idéalisé, montrent qu’une telle architecture doit permettre d’atteindre une précision comparable à celle des systèmes à PLL, avec un coût bien moindre et en bénéficiant des avantages d’une mesure différentielle.
Ce travail doit permettre de passer de cette preuve théorique à, dans un premier temps, une preuve de concept sous la forme d’un ASIC ou la partie M/NEMS et l’électronique seront co-intégrés, minimisant ainsi les contraintes sur la conception et les performances de l’électronique de mise à la résonance. Le département de génie électrique de l’Université Autonome de Barcelone a acquis dans ce domaine une compétence mondialement reconnue. Le dimensionnement des structures mécaniques, l’impact des non-idéalités (non-linéarités, bruit électronique, thermo-mécanique) sur les performances du système (bruit de phase et sensibilité notamment) et sur le choix d’architecture relèvent du domaine de compétence de Supélec.
Déroulement de la 1ère année de thèse
Les six premiers mois de la thèse se dérouleront à Supélec. Ils seront consacrés au dimensionnement de structures M/NEMS (dépendant du process CMOS mis en œuvre) et au choix de l’architecture électronique la plus adaptée pour l’établissement du régime d’injection mutuelle. Ces choix et ce dimensionnement se feront à l’aune d’une étude bibliographique préalable (thèses de J. Arcamone et J. Verd sur la co-intégration NEMS/CMOS, de G. Arndt sur les architectures d’oscillateurs NEMS) et des résultats d’une première expérience du doctorant (stage de Master, effectué à Supélec). L’accent sera mis sur le développement d’outils de simulation haut-niveau (Simulink/VHDL-AMS) et de modèles amplitude-phase permettant d’évaluer l’impact des non-linéarités (Duffing, non-linéarité de détection, etc.) et de la forme d’excitation (sinusoïdale ou pas) sur le fonctionnement différentiel.
Les six mois suivants se passeront à l’UAB, où le doctorant concevra l’électronique aux niveaux transistor et layout (temps estimé : 3 mois) avant de l’envoyer en fonderie. Pendant les trois derniers mois, le doctorant mettra en place un protocole de test et de caractérisation de la partie mécanique et de l’électronique.
Déroulement de la deuxième année de thèse
Les trois premiers mois de l’année, à l’UAB, seront consacrés pleinement à la caractérisation électrique et mécanique des dispositifs, ainsi qu’à la validation fonctionnelle des systèmes.
Les six mois suivants se dérouleront à Supélec. Si les systèmes réalisés passent le cap de la validation fonctionnelle, ces six mois seront consacrés la validation du principe théorique et des modèles développés pendant la première année de la thèse. On s’intéressera notamment à la conformité à la théorie des performances en termes de bruit de phase, qu’on comparera à celles des architectures classiques. Enfin, si les premiers essais n’ont pas été concluants, l’accent sera mis sur le développement d’une version améliorée du système sera proposée (choix d’une autre architecture, d’un autre process, d’autres paramètres, etc.). Dans les deux cas, on s’intéressera à une stratégie d’appariement dynamique des résonateurs, ainsi qu’à la possibilité de valider le fonctionnement en mode « capteur ».
Les trois derniers mois verront, à l’UAB, la conception de la deuxième génération d’oscillateurs différentiels.
Encadrants
Jérôme Juillard (Supélec), Nuria Barniol (UAB)
Contact
jerome.juillard@supelec.fr