Design and characterization of a MEMS-based rotation sensor for seismic exploration

par Maxime Projetti

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Denis Aubry.

Le président du jury était Philippe Gaucher.

Le jury était composé de Denis Aubry, Tarik Bourouina, Jérôme Juillard, Olivier Vancauwenberghe.

Les rapporteurs étaient Tarik Bourouina, Jérôme Juillard.

  • Titre traduit

    Conception et caractérisation d'un capteur de rotation MEMS pour l'exploration sismique


  • Résumé

    Lors de la prospection sismique, un réseau de capteurs, utilisant principalement des géophones, est déployé à la surface libre afin d'enregistrer les ondes sismiques provenant du sous-sol. Cependant, l'énergie captée par ces géophones est largement dominée par les ondes de surface ou ondes de Rayleigh produites par la source. Étant donné leur nature, ces ondes de surface ne contiennent aucune information sur la composition des couches géologiques profondes. De ce fait, il est nécessaire d'employer un réseau très fin de capteurs dans le but de caractériser précisément ces composantes puis de les filtrer par des techniques de traitement du signal. Toutefois, les coûts engendrés nécessitent de nouvelles méthodes d'acquisition des ondes sismiques, employant moins de capteurs et permettant d'élargir le pas du réseau. Une telle technique a été mise en évidence, moyennant une mesure précise des rotations de la surface libre. La piste explorée dans ce manuscrit est l'utilisation d'un capteur MEMS haute performance pour mesurer les rotations de la surface libre, avec un coût, un poids et une consommation électrique minimaux. Plus particulièrement, le choix s'est porté sur la réalisation d'un accéléromètre angulaire, mesurant la rotation d'entrainement de son référentiel. La conception du capteur MEMS proposé utilise une technique de mesure différentielle de capacités et un contrôle en boucle fermée reposant sur la modulation ΣΔ. Un important travail de modélisation et de simulation a permis la fabrication de plusieurs prototypes qui ont ensuite été caractérisés. Une résolution fondamentale de 3 mrad.s-2 RMS dans une bande de fréquences comprises entre 60 Hz et 200 Hz a ainsi été obtenue. Les performances mesurées surpassent de loin celles d'autres accéléromètres angulaires de la littérature. Finalement, des analyses comparatives avec d'autres instruments de mesure ont permis de conclure sur la faisabilité de notre solution pour la prospection sismique.


  • Résumé

    In seismic exploration, most of the signal acquired by point-receiver geophones is dominated by surface waves or ground rolls. Because they propagate in the near surface, ground rolls do not contain any information on deeper targets. Thus, short spacing between receivers is required so that this noise component can be accurately characterized and removed by digital filtering. However, considering the cost of seismic exploration ventures, new acquisition techniques using fewer point receivers and larger spacing have to be developed. Such a technique is briefly introduced in this dissertation, requiring accurate measurements of ground rotations at the free surface with minimum cost, weight and power consumption. To address this need, the thesis proposes a high-performance rotation sensor based on MEMS technology. Unlike vibrating gyroscopes, sensitive to rotation rates through Coriolis effect, the solution developed is an angular accelerometer designed for differential capacitance measurements. A feedback controller is also implemented utilizing an oversampled ΣΔ -modulator to increase dynamic performances of the system. Thorough analytical designs along with simulations are challenged by fabricated prototypes measurements to achieve a high-sensitivity, high-resolution device. An experimental resolution of 3 mrad.s-2 RMS in the frequency band 60 Hz - 200 Hz is then obtained, which is far better than other micromachined angular accelerometers from literature. Moreover, comparison analyses are performed with specific instruments used for rotational seismology to conclude on the feasibility of a MEMS-based rotation sensor for seismic exploration.


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