Interface électronique compacte pour capteur opto-mécanique

Compact electronic interface for opto-mechanical sensors

• Auteur / Autrice : Houssein Elmi Dawale
• Direction : Franck Badets
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 10/01/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Skandar Basrour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Edith Kussener, Ivan Favero
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jérôme Juillard, Hélène Tap

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés

Masse (physique) -- Mesure

Optomécanique

Capteurs (technologie)

Mots clés libres

Détection de masse

Conception de circuit de lecture

Capteur Optomécanique

Opto-Mechanical transducer

Readout circuit design

Mass sensing

Résumé

Grâce à leurs extrêmes sensibilités, les résonateurs optomécaniques ont montré ces dernières années leur potentiel pour les applications capteurs, en particulier pour la détection de masse. Comparés aux autres résonateurs mécaniques, ils présentent une surface de détection plus importante (quelques μm de diamètre). Ils sont aussi beaucoup plus robustes, ce qui leur permet de résonner dans différents milieux (air, vide, liquide, …). Les résonateurs optomécaniques développés par les équipes du CEA, sont à base de micro-disque en silicium. Un tel dispositif, présente une sensibilité de 1Hz/10⁻¹⁸g. Cela nous permet d’envisager la détection de particule infime quels que soient les types applications envisagées : détection de particule chimique, détection biologique….Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le cadre du développement d’un système de mesures de masse compacte à base de résonateur optomécanique. L’objectif de la thèse consiste à développer une électronique suffisamment compacte permettant de lire ses capteurs de masse optomécanique. Pour parvenir à cet objectif, nous avons d’abord développé un modèle compact en Verilog A des résonateurs optomécaniques. Cela facilite la conception des circuits en permettant de réaliser des simulations réalistes, conjointes capteur-électronique. Ensuite, nous avons mené une réflexion sur les configurations matricielles des résonateurs optomécaniques. Un tel système permet d’avoir une surface de détection plus importante tout en préservant la sensibilité d’un seul résonateur optomécanique. A moyen terme, le système de mesure de masse que l‘on souhaite réaliser doit être à base de cette matrice. Aujourd’hui, une telle matrice n’existe pas encore, mais il faut anticiper et concevoir un circuit de lecture compatible. Finalement, pour lire les résonateurs optomécaniques, nous proposons un circuit de lecture modulable en fréquence. En termes de performance le système de mesure réalisé (capteur et circuit de lecture) atteint une résolution de 500 ppb, c’est qui correspond à une fréquence de 158 Hz pour un résonateur de 316 MHz de fréquence. Si l’on considère la sensibilité des disques optomécaniques cela correspond à une résolution de masse de 158 ag.

Thanks to their high sensitivity, optomechanical resonators have shown in recent years their potential for sensor applications, in particular for mass detection. Compared to other mechanical resonators , they exhibit a larger detection area (a few μm in diameter). They are much more robust, which allows them to resonate in different environments (air, vacuum, liquid, ...). The optomechanical resonators developed by the CEA teams are based on a silicon microdisk. The sensitivity of such a device is 1Hz/10⁻¹⁸g. This enables us to consider the detection of tiny particles for any type of applications : chemical detection, biological detection.The work of this thesis is part of the development of a compact mass measurement system based on optomechanical resonator. The objective of the thesis project is to develop suitably compact electronics to read optomechanical mass sensors. To achieve this purpose, we first developed a compact Verilog A model of optomechanical resonators. This helped us to design the circuit allowing us to perform realistic and complete simulations. Then, we moved on to the reflection of a matrix configuration of optomechanical resonators. Such system allows to have a larger detection surface while preserving the sensitivity of a single optomechanical resonator. In the mid-term, the mass measurement system that we wish to realize must be based on matrices of optomechanical sensors. At present, such a matrix does not yet exist, but we must anticipate and design a compatible readout circuit. Finally, to read the optomechanical resonators, we propose a modulable reading circuit in frequency. The performance of the measurement system (sensor and reading circuit) reaches a resolution of 500 ppb, which corresponds to a frequency of 158 Hz for a resonator of 316 MHz frequency. Considering the sensitivity of optomechanical disks, this corresponds to a mass resolution of 158 ag.