Capteur de pression résonant à nanojauges pour application aéronautique

par Guillaume Lehée

Thèse de doctorat en Électronique et optoélectronique, nano- et microtechnologies

Sous la direction de Alain Bosseboeuf.

Soutenue le 22-10-2015

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Elie Lefeuvre.

Le jury était composé de Alain Bosseboeuf, Elie Lefeuvre, Jérôme Juillard, Anthony Ayari, Guillaume Jourdan, Jean-Christophe Riou.

Les rapporteurs étaient Panagiota Morfouli, Bernard Legrand.


  • Résumé

    Le marché des capteurs de pression pour le secteur aéronautique est mature mais encore en forte croissance, caractérisé par une forte valeur ajoutée, et générateur d'une forte demande en innovation. Par exemple, le rapprochement des systèmes de mesure vers les zones chaudes de l'avion nécessite de revoir l'architecture du capteur, dont l'élément sensible.Pour répondre à ces besoins, nous avons développé un capteur de pression intégrant une détection du mouvement d'un microrésonateur sur membrane avec des nanofils en silicium piezorésistifs. Une version simplifiée de microrésonateur sans ces nanojauges de déformation a été conçue, modélisée, fabriquée puis caractérisée afin d'en valider le bon fonctionnement. En parallèle, les caractéristiques électro-thermo-mécaniques et de bruit de nanojauges couplées à des résonateurs M&NEMS issus de précédents travaux ont été étudiées. Nous avons ainsi montré qu'un nanofil en compression harmonique longitudinale à basse fréquence se comporte comme un ressort-amorti pouvant dominer la réponse harmonique du résonateur MEMS, malgré ses dimensions minuscules. De plus, nous avons montré pour la première fois que la réponse harmonique d'un résonateur pouvait être ajustée « in-situ » à l'aide du phénomène de rétro-action pieozorésistive en modifiant uniquement la polarisation des nanofils. Enfin, les performances théoriques du capteur de pression ont été estimées à partir de données expérimentales relevées sur différents types de résonateurs M&NEMS. Ces performances théoriques sont satisfaisantes vis-à-vis des spécifications du capteur, mais nécessiteront néanmoins d'être validées expérimentalement.

  • Titre traduit

    Resonant pressure sensor with nanogauges detection for aeronautic application


  • Résumé

    The market of pressure sensors for aeronautics is mature but still strongly growing, defined by a strong added value and a large innovation need. Bringing pressure sensors closer to hot parts of the plane, requires, for example, to re-consider the sensor architecture, including the sensitive element.In order to comply with these requirements, we have developed a resonant pressure sensor with motion detection by Si piezoresistive nanowires. A simplified version of the resonator without these nanogauges has been modelled, fabricated and characterized to confirm its good operation. In parallel, electro-thermo-mechanical and noise characteristics of nanogauges coupled to M&NEMS resonators arising from previous works have been studied. We have notably demonstrated that the damped-spring behavior of an harmonically longitudinally stressed nanowire at low frequency could govern the MEMS resonator response, despite its tiny dimensions. Moreover, we have shown for the first time that the resonator response could be tuned “in situ” owing to the piezoresistive back action phenomenon only by acting on the nanowire biasing.Eventually, the theoretical performances of the resonant pressure sensor have been estimated from experimental data on different kind of M&NEMS resonator. These theoretical performances satisfy the sensor specifications; nevertheless they need to be confirmed experimentally.


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