Conception, modélisation et caractérisation d'un micro-capteur résonant de pression en silicium
Institution:
Paris 11Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
The objective of this thesis is the design, modelling and test of new high-pressure sensors. Different geometries of resonators have been analysed, in order to compare their sensibilities. The temperature influence is also studied and a compensation method is suggested. The experimental results under high pressure and temperature have validated the theory with good agreements. The thesis is then oriented toward two types of resonant sensor: electrostatic and optical. In case of the electrostatic excitation/detection, different electromechanical models have been studied and compared. Special attention is given to the large-amplitude effects (mechanical hard spring and electrostatic amplitude-softening effect). The frequency shift due to these non-linear effects is quantified and solutions to minimise it have been given. A numerical behavioural model of the electromechanical oscillator system is developed under MATLAB/Simulink. Furthermore, the principle of the sensor electronics is presented and an electrical equivalent model has been extracted, in order to analyse the influences of different parasite elements. In case of the optical sensor, the analytical model of the photo-thermal activation is first introduced, with a study of the influence of the optical power. In both case, the theories and simulations have been validated by the experimental results. The last part of the thesis concerns three specific studies related to the sensor environment. Firstly, the mechanical quality factor is calculated in function of the air pressure around the resonator. The theories and simulations have been confirmed by the measurements. The second study consists of evaluating the absolute sensor resolution with the noise sources presented in the oscillator. The last study concerns the sensor packaging. The geometry of the packaging device and the material of the support piece have been simulated by FEM to minimise the thermal stresses.
Abstract FR:
L'objectif poursuivi dans cette thèse, est la conception, modélisation et caractérisation de nouveaux capteurs de forte pression. Différentes géométries du résonateur ont été analysées afin de comparer leurs sensibilités. Les influences de la température sont étudiées et une méthode de compensation est proposée. Des résultats expérimentaux sur des prototypes en fonction de la pression et de la température ont validé la théorie avec bons accords. La thèse est ensuite orientée ver deux types de capteur résonant: électrostatique et optique. Dans le cas de l'activation/détection électrostatique, différents modèles électromécaniques sont étudiés et comparés. Les hystérésis dues aux non-linéarités du résonateur sont quantifiées. Un modèle comportemental numérique du système électromécanique sous MATLAB/Simulink a été réalisé. De même, le principe de l'électronique associée est abordé et un modèle équivalent électrique du résonateur est extrait afin d'analyser les influences des différents éléments parasites. Les théories et les simulations sont validées avec les résultats expérimentaux. Dans le cas de capteur optique, le modèle analytique de l'activation photo-thermique a été introduit avec une étude de l'influence de la puissance optique. Des résultats de simulations par éléments finis et les tests optiques effectués ont validé les modèles théoriques. La dernière partie approfondit l'étude en s'intéressant à l'environnement du capteur. La première étude a concerné le calcul du facteur de qualité du résonateur vis à vis de la pression de l'air entourant le résonateur. Cette étude a été validée par des mesures. La deuxième étude a consisté à déterminer la résolution absolue du capteur en fonction des sources de bruit présentes dans l'oscillateur. La dernière étude concerne le packaging du capteur. La géométrie du packaging mécanique et le matériau de la pièce de support ont été examiné afin de minimiser les contraintes thermiques.