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

Modelling, design and integration of new differential architectures for M/NEMS resonant sensors

• Auteur / Autrice : Pierre Prache
• Direction : Jérôme Juillard, Nuria Barniol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 09/11/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE) en cotutelle avec Universitat autònoma de Barcelona
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Tap
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Hentz, Joan Bausells, Hervé Mathias
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michael Kraft, Pascal Nouet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oscillateurs

Nanosystèmes électromécaniques

Capteurs d'images CMOS

Mots clés libres

M/NEMS

Capteur résonant différentiel

CMOS-MEMS

Oscillateur verrouillé par injection

M/NEMS

Differential resonant sensors

CMOS-MEMS

Injection-locked oscillator

Résumé

Les capteurs M/NEMS résonants, grâce à leur petite taille, faible consommation, et caractère quasi-numérique (leur grandeur de sortie est une fréquence la plupart du temps), sont des outils incontournables dans les systèmes embarqués modernes, des objets connectés simples à l’industrie aérospatiale et militaire.Cependant, ils sont soumis aux dérives environnementales, et malgré la possibilité d’en diminuer l’effet par différentes techniques de conception, parfois l’association de deux capteurs en mode différentiel est nécessaire pour assurer la fiabilité de l’information en environnement difficiles. Dans cette thèse, une technique particulière de mesure différentielle est étudiée, qui consiste à synchroniser deux résonateurs, dont l’un est une référence et l’autre soumis à la grandeur physique à mesurer. Placés dans une seule boucle de rétroaction, les deux résonateurs oscillent à la même fréquence, et un désaccord entre les deux, issu de la grandeurphysique à mesurer entraine un déphasage. La mesure de ce déphasage est un moyen simple de remonter à l’information à mesurer, théoriquement insensible aux variations environnementales identiquement appliquées aux deux résonateurs. Cette technique bénéficie est également peu complexe au niveau de son implémentation, donc adapté à l’intégration à grande échelle. Après avoir étudié le cadre théorique de la synchronisation de résonateurs par verrouillage par injection, on dégage des contraintes d’implémentation, qui servent de ligne directrice dans la fabrication d’un démonstrateur. On dégage également des performances théoriques, qui sont comparées aux performances du démonstrateur.

M/NEMS resonant sensors, due to their small size, consumption and quasi-digital output (a frequency most of the time) are unavoidable tools for on-board systems, from smartphones to aeronautic technology. However, they suffer from environmental drifts, and even though the effect of these drifts can be limited by the design, it is sometimes necessary to use differential architectures to properly remove the drifts from the measurements and ensure the output reliability even in harsh environments. In this work, a special technique for differential measurement is studied, consisting in the synchronization of two resonators, one reference and one sensor. Placed in a single feedback loop, they oscillate at the same frequency and eventual phase shift when the physical quantity to be sensed is applied. This phase shift is a theoretically drift-free way to measure this physical quantity. This technique also benefits from its ease of integration, making it a good candidate for large scale integration. After studying the theoretical framework, several design guidelines are found, which are used in the fabrication of a proof of concept. The theoretical performances are found as well, and compared to the experimental ones.