Développement de méthodes de caractérisation innovantes de microstructures vibrantes. Application à l’estimation des paramètres de résonance de capteurs MEMS en régime non-linéaire.

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Ajouté le: 15/05/2014
Directeur : BOURGOIS Laurent - laurent.Bourgois@supelec.fr
Titre : Développement de méthodes de caractérisation innovantes de microstructures vibrantes. Application à l’estimation des paramètres de résonance de capteurs MEMS en régime non-linéaire.
Thèmes : Électronique, opto-électronique, Nano-sciences, nanotechnologies
Automatique, Signal, Télécoms, Systèmes embarqués
Laboratoires : E3S Supélec Sciences des Systèmes EA 4454
Description :

Contexte scientifique et applicatif

Le développement de capteurs et d'actionneurs au moyen des technologies de fabrication de la microélectronique est un domaine en expansion constante depuis le début des années 90. Que ce soit dans les systèmes automobiles, dans les Smartphones ou dans les manettes de jeux, les MEMS ont envahi notre quotidien. Aujourd'hui, il en existe de toutes sortes capables de mesurer les accélérations, les mouvements de rotation, le champ magnétique terrestre, la pression atmosphérique, la composition d'un gaz, etc.

Les capteurs MEMS résonants sont constitués d'une structure mécanique dont la fréquence propre varie en fonction d'une grandeur physique d’intérêt (par exemple, une accélération). Afin de suivre ces évolutions, le résonateur est maintenu dans un état proche de la résonance, par exemple en réalisant un oscillateur à l’aide d’une boucle de rétroaction électronique. La conception d’un tel système et l’interprétation des mesures effectuées sont rendues complexes par :

- l’existence de fortes non-linéarités intrinsèques à la structure MEMS (contraintes axiales liées aux allongements, squeeze-film damping, non-linéarité électrostatique, phénomènes d’interaction modale) ou à son électronique associée.

- les phénomènes de dérive liés aux fluctuations de température, de pression ambiante ou d'humidité, susceptibles de modifier la fréquence de résonance indépendamment de la grandeur physique d'intérêt, ce qui entache d'incertitudes les mesures réalisées.

Objectifs du travail de thèse

D'ordinaire, les méthodes de caractérisation et d'identification des structures MEMS reposent sur des mesures effectuées en régime de fonctionnement linéaire, correspondant à des déplacements très petits devant les dimensions caractéristiques de la structure. Elles nécessitent donc d’avoir recours à des moyens de détection (électroniques, optiques…) de très haute précision et donc extrêmement coûteux.

Cette thèse a pour ambition de faire sauter ce verrou en proposant de nouvelles méthodes de caractérisation adaptées aux régimes de fonctionnements non-linéaires des MEMS résonants, permettant de déterminer le plus précisément possible leurs grandeurs caractéristiques de résonance (fréquence propre, facteur de qualité). Le fonctionnement en régime non-linéaire doit non seulement permettre de réduire la complexité et le coût des moyens de détection mis en œuvre, mais également d’obtenir davantage d’informations sur l’état de la structure MEMS (via les phénomènes de résonance paramétrique, par exemple) et d’être ainsi plus robuste aux dérives et aux défaillances.

Ce travail consistera donc à tirer parti des méthodes d'identification de l'automatique et à les adapter au contexte évoqué ci-dessus. Dans une première étape, le doctorant devra se familiariser avec la physique des MEMS et prendre en main l’ensemble des outils et techniques développés au département SSE de Supélec pour la modélisation des MEMS résonants en régime permanent. Sur cette base, il devra alors proposer des méthodes d’identification adaptées à ces modèles qui seront validées expérimentalement dans le cadre de partenariats industriels et académiques.

Profil du candidat

Le candidat devra être titulaire d'un diplôme d'Ingénieur ou d'un Master Recherche. Il devra disposer d'un bon background en Automatique et Traitement du Signal, de préférence avec une expérience en identification de modèles paramétriques non linéaires. Il est également souhaitable d’avoir des connaissances en modélisation MEMS.

Personne à contacter

Laurent Bourgois (Supélec) : laurent.bourgois@supelec.fr