Couplage d'oscillateurs et de résonateurs MEMS pour des applications de mesure différentielle

par Ali Mostafa

Projet de thèse en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Jerome Juillard et de Pietro Maris ferreira.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Génie électrique et électronique de Paris (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 30-09-2017 .


  • Résumé

    De par leur haute résolution, large bande-passante, faible empreinte et la possibilité de les produire à grande échelle (VLSI), les capteurs reposant sur des résonateurs M/NEMS sont utilisés dans de nombreuses applications de pointe telles que la détection de masse pour les capteurs de gaz / d'espèces chimiques, la mesure inertielle pour les applications aéronautiques / militaires, la mesure de pression, etc. Dans ces applications, la fréquence naturelle de la structure M/NEMS est conçue pour dépendre de la grandeur physique d'intérêt. La fréquence naturelle est mesurée en plaçant le résonateur dans une boucle auto-oscillante et en comparant la fréquence d'oscillation obtenue à celle d'un oscillateur de référence. Si l'oscillateur de référence a la même dépendance aux dérives des conditions de fonctionnement (température, humidité, etc.) que l'oscillateur MEMS, on obtient une mesure différentielle de la grandeur physique d'intérêt. Cependant, des couplages parasites entre les oscillateurs sont inévitables et peuvent résulter dans des effets de synchronisation nuisant à la résolution de la mesure. A contrario, en imposant un couplage fort entre les oscillateurs, il devient possible de tirer parti de la sensibilité paramétrique de l'état synchronisé pour réaliser une mesure différentielle. Ainsi, à l'occasion d'une thèse en co-tutelle entre l'UAB – Espagne – et le GEEPS, nous avons montré que la différence de phase entre deux oscillateurs verrouillés en injection mutuelle (MILO) utilisant des résonateurs MEMS couplés via leurs tensions d'actionnement pouvait fournir une mesure extrêmement sensible d'une grandeur physique d'intérêt. L'utilisation d'un couplage fort entre résonateurs permet de surmonter les couplages parasites indésirés. par ailleurs, cette architecture ne nécessite pas l'électronique complexe et redondante des approches reposant sur la mesure des fréquences deux boucles auto-oscillantes séparées.

  • Titre traduit

    Coupling of MEMS oscillators and resonators for differential resonant sensing applications


  • Résumé

    Because of their high resolution, large bandwidth, low footprint, and the possibility of producing them in VLSI, sensors based on M/NEMS resonators are used in several high-end applications such as mass sensing for gas or chemical sensors, inertial sensing for aerospace or military applications, pressure sensing for the oil industry, etc. In such applications, the natural frequency of the M/NEMS structure is designed to be sensitive to the quantity of interest; it is monitored by placing the resonator in an oscillator loop and comparing the oscillation frequency to that of a reference oscillator. If the reference oscillator has the same sensitivity to environmental drifts as the one used for sensing, a differential measurement of the quantity of interest can be obtained. However, parasitic couplings between the oscillators are inevitable and result in unwanted signal injection, and frequency pulling or locking. Alternatively, one may seek to enforce the coupling of the resonators, and take advantage of the parametric sensitivity of the synchronized state to perform a differential measurement. For example, in an ongoing Ph.D. thesis (in joint partnership between UAB – Spain – and GEEPS), we have showed that the phase difference between two mutually injection-locked oscillators (MILO) based on MEMS resonators, strongly coupled through their actuation voltages, could be used to perform a high-sensitivity, intrinsically differential measurement of a quantity of interest. The use of strong coupling between the resonators makes it possible to overcome spurious parasitic couplings. Furthermore, the architecture does not require the complex, redundant electronics (VCOs) of the approaches based on frequency measurements and two separate oscillator loops.