Contribution à la modélisation et à la commande des microsystèmes capteurs non linéaires
Institution:
Université Joseph Fourier (Grenoble)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Les microsystèmes sont des systèmes dynamiques multi-physiques. Leurs caractéristiques spécifiques, liées à leur petite dimension et aux phénomènes associés, nécessitent des études approfondies. Les méthodologies de l'automatique peuvent apporter des solutions nouvelles pour l'optimisation de ces systèmes. Dans ce contexte, ce travail de recherche s'intéresse plus particulièrement aux non-linéarités dans les microsystèmes capteurs. La première partie de cette thèse est consacrée à la conception d'un micro-accéléromètre asservi à sortie numérique. L'objectif principal de l'asservissement est l'amélioration de la linéarité de la mesure. L'étude s'attache à la modélisation du comportement dynamique du capteur en prenant en compte l'effet des non-linéarités (lecture capacitive et actionnement électrostatique) et à l'analyse des performances globales de la mesure (aspect dynamique, transfert de bruit et non-linéarité). Le circuit réalisant l'asservissement est conçu de manière à permettre l'utilisation d'outils de l'automatique avancée: l'identification pour la commande et la synthèse robuste de correcteur. L'architecture présentée est validée en simulation et sur un démonstrateur. Dans une deuxième partie, ce travail de recherche propose d'exploiter la non-linéarité dite de Duffing afin de réaliser un principe de détection original. Cette non-linéarité d'origine mécanique est fréquemment rencontrée dans les microsystèmes. Les résultats présentés ouvrent des perspectives nouvelles pour l'utilisation de structures mécaniques de dimensions nanométriques.
Abstract FR:
Microsystems are multi-physic and dynamic systems. Their specific characteristics, related to their small size and the associated physical phenomena, require deep studies. The methodologies related to control theories could bring interesting solutions for the optimization of this kind of systems. Ln this fi'amework, this thesis focuses more particularly on microsensors nonlinearities. The first part of this thesis is devoted to the design of a closed-loop micromachined accelerometer with digital output. The main goal of the feedback is here to enhance the sensor's linearity. This study focuses on the modelling of the MEMS dynamics, including the effects of the nonlinearities (capacitive readout and electrostatic force feedback), and on the analysis of the sensor's performance (dynamic aspect, noise transfer and linearity). The integrated circuit ensuring the force feedback is designed in order to allow the use of advanced control tools such as identification for control and robust controller synthesis. The proposed architecture is validated on the simulation model and on a first prototype. The second part ofthis thesis introduces a novel sensing princip le based on Dutfmg's nonlinearity. This type of nonlinearity, which is observed in many mechanical microstructures, is here tumed into an advantage. First simulations display interesting perspective for the use ofnanometre-scale mechanical structures.