Nonlinear dynamics of M&NEMS resonant sensors : design strategies for performance enhancement
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
In order to fulfill the promises of nanoelectromechanical systems (NEMS), that is, to begin to come out of industrial foundries, a certain number of challenges are yet to be addressed: in particular, their frequency stability, has to be improved. Mechanical transduction gain of the devices has been thoroughly studied, but the drive power has always been a priori limited to the onset of nonlinearities. Besides, the smaller the structures, the sooner nonlinearities occur, reducing their dynamic range and even making extremely difficult to detect their oscillation. In this thesis, this limitation is reconsidered, i. E. The behavior of NEMS at large amplitude through the nonlinear dynamics of NEMS-based resonant sensors is investigated. A review of inertial, mass and gas sensors is carried out. Particularly, the design issues of resonant sensors are addressed and the sources of nonlinearities in resonators are exposed. A review of nonlinear methods is also presented in order to define a modeling strategy for the dynamics of resonant inertial and mass/gas sensors. Close-form solutions of the critical amplitudes were provided for several devices and the importance of the fifth order nonlinearities has been demonstrated through the mixed behavior identification. Several analytical design rules are provided in order to enhance the dynamic range of NEMS resonators and the detection limit of NEMS-based resonant sensors. These rules essentially include hysteresis suppression by nonlinearity cancellation as well as mixed behavior and pull-in retarding under superharmonic resonance and simultaneous resonances leading to the possibility of driving the resonator linearly beyond its critical amplitude. The experimental validation of the model has been performed in the case of resonant capacitive (4 micrometers SOI) MEMS and (2 micrometers MEMS level 500 nm NEMS level) SOI M\&NEMS accelerometers and gyroscopes as well as capacitive and piezoresistive (160 nm SOI NEMS) gas/mass sensors.
Abstract FR:
Afin que les systèmes nano-électromécaniques (NEMS) tiennent leurs promesses et répondent aux attentes sociétales, un certain nombre de défis et verrous technologiques restent à lever. En particulier, leur stabilité en fréquence doit être améliorée. Le gain mécanique de transduction des NEMS a été analysé avec grand intérêt mais la sensibilité a toujours été a priori limitée par l’apparition des non-linéarités. En outre, la miniaturisation des structures descend les seuils d’apparition des non-linéarités, réduit donc la gamme dynamique et complique la détection. La thèse reconsidère la limitation de détection des NEMS. Le comportement de NEMS résonants en grands déplacements est analysé en déployant les techniques de la dynamique non linéaire. Tout d’abord il est établi un état de l’art de certaines catégories de capteurs. Suit une présentation des problèmes de conception des capteurs résonants puis des sources de non linéarités. L’état de l’art des méthodes non linéaires permet de dégager une stratégie de modélisation des capteurs résonants M&NEMS. Les expressions analytiques des amplitudes critiques sont données pour plusieurs dispositifs et l’importance des non-linéarités d’ordre cinq a été démontrée par l’identification du comportement non linéaire mixte. Enfin la thèse préconise plusieurs règles de conception analytique afin d’optimiser la gamme dynamique des résonateurs NEMS et la limite de détection des capteurs résonant M&NEMS. Pour cela il s’agit de supprimer tout phénomène d’hystérésis par l’annulation des non-linéarités d’ordre trois, de retarder le comportement mixte et le pull-in (collage du résonateur sur l’électrode) en déclenchant des résonances super harmoniques et des résonances simultanées garantissant le comportement linéaire du résonateur au delà de l’amplitude critique. La validation expérimentale des modèles a été effectuée sur des capteurs inertiels MEMS et M&NEMS à transduction capacitive résonante ainsi que sur des nano capteurs de gaz et de masse à transduction capacitive avec co-intégration CMOS et piézorésistive.