Modeling of nonlinear phenomena in a resonant MEMS sensor for performance and reliability optimization
Modélisation des phénomènes non-linéaires dans un capteur MEMS résonant pour l'optimisation de ses performances et de sa fiabilité
Résumé
The use of MEMS technologies in navigation measurements faces two main challenges.On the one hand, reliability improvement requires a deep understanding of MEMS failure mechanisms. These components are meant for long-term use and are subject to harsh mechanical and thermal constraints during their expected lifetime, usually longer than a decade. On the other hand, the replacement of macroscopic navigation sensors by MEMS components remains impossible as long as the performances of MEMS sensors do not match those of their macroscopic equivalents. With respect to these two challenges, the nonlinear behavior of MEMS resonators is usually seen as an obstacle, if not an insurmountable barrier to technological progress.However, nonlinear phenomena are actually a rich source of potential improvements. At the cost of increased mathematical complexity and specific design efforts, a precise model of MEMS nonlinear behaviors gives access to valuable information about the internal structure of the device. This information may then be used for failure detection and performance optimization.In this thesis, a linear and nonlinear characterization method is developed and experimentally-demonstrated. The knowledge of such nonlinear characteristics allows the determination of optimal operating points in terms of frequency stability and, hence, measurement accuracy.
L’utilisation des technologies MEMS dans la navigation aéronautique présente deux difficultés majeures.D’une part, le bon fonctionnement des appareils de mesure de l’aviation civile requiert l’anticipation des défaillances susceptibles de se produire durant des décennies. D’autre part, le remplacement des capteurs macroscopiques traditionnels par des cellules MEMS ne peut se faire qu’à niveau de performances équivalent. Vis-à-vis de ces deux enjeux de fiabilité et de performance, le comportement fortement non-linéaire des résonateurs MEMS est souvent considéré comme un frein voire une limite infranchissable aux progrès technologiques.Cependant, l’exploitation de ces phénomènes non-linéaires constitue en réalité une source extrêmement riche d’améliorations. Au prix d’une complexité mathématique accrue et d’efforts de conception spécifiques, la modélisation précise des phénomènes non-linéaires affectant le comportement des MEMS donne accès à des informations précieuses, aussi bien pour la détection de défaillances que pour l’amélioration des performances.Dans cette thèse, on développe une procédure de caractérisation linéaire et non-linéaire de cellules MEMS résonantes. Après avoir démontré l’intérêt et vérifié expérimentalement la précision d’une telle caractérisation, on montre comment la connaissance des caractéristiques non-linéaires permet de déterminer des points de fonctionnement optimaux en termes de stabilité fréquentielle des capteurs oscillants, et donc de précision et de justesse des mesures.
Origine : Version validée par le jury (STAR)