Dispositifs MEMS et NEMS

L’étude des dispositifs oscillants M/NEMS, utilisés le plus souvent comme capteurs résonants, a été un important moteur de la recherche de l’équipe au cours des dernières années. Cette recherche, outre les travaux en modélisation qu’elle a suscités, se décline en deux sous-thèmes.

Exploration des modes de fonctionnement non-linéaires des oscillateurs M/NEMS

Les structures M/NEMS sont régies par une physique fortement non-linéaire ; les structures résonantes en particulier sont d’autant plus sensibles aux non-linéarités que leur facteur de qualité est élevé. Ces non-linéarités, associées à de grandes amplitudes de vibration de la structure, ont le plus souvent un impact négatif (instabilité, distorsion) sur le fonctionnement du système. Cependant, plusieurs de nos travaux montrent qu’il est en fait possible d’en tirer de réels avantages, tels que la minimisation du bruit de phase dans certains régimes de fonctionnement [1].

Par ailleurs, les grandes amplitudes d’oscillation génèrent des signaux électriques plus importants et doivent ainsi permettre de relâcher les contraintes sur l’électronique de détection, tout en réduisant sa surface et sa consommation. Enfin, on peut tirer profit des régimes de fonctionnement non-linéaires des capteurs M/NEMS pour les caractériser ou les calibrer plus finement. Ce dernier point fait notamment l’objet d’une thèse CIFRE (partenariat avec Thales Avionics), débutée en octobre 2013.

Architectures électroniques innovantes pour oscillateurs M/NEMS

La réalisation d’un oscillateur M/NEMS nécessite d’adjoindre à la structure mécanique une électronique permettant d’entretenir ses oscillations. Le design de cette boucle doit tenir compte des spécificités des méthodes de transduction mises en jeu.

Nos travaux ont montré l’intérêt, pour les M/NEMS électrostatiques, de boucles fonctionnant en mode impulsionnel plutôt que sinusoïdal [2]. Ceci permet non seulement d’atteindre une amplitude d’oscillation comparable au gap sans instabilité électrostatique mais surtout de contourner les problèmes liés au feedthrough capacitif, en boucle fermée aussi bien qu’en boucle ouverte [3].

Distorsion de la force électrostatique (rouge) en fonction du déplacement (bleu) dans un oscillateur avec actionnement...
  de type créneau.   de type impulsion.

  Les meilleures performances sont atteintes lorsque l’électronique de mise à la résonance comporte une boucle à verrouillage de phase (PLL) de précision, composant extrêmement coûteux car difficilement intégrable. Nous étudions des architectures alternatives, reposant sur le couplage par injection de deux résonateurs M/NEMS. Comme montré dans [4], cette approche permet non seulement de s’affranchir d’une PLL, mais également d’obtenir une mesure différentielle, sans dérive, de la grandeur d’intérêt. Ce sujet fait l’objet d’une collaboration avec l’Université Autonome de Barcelone (UAB) (thèse de Pierre Prache, débutée en septembre 2014).

dispositifs_MEMS_et_NEMS_fig1  dispositifs_MEMS_et_NEMS_fig2