Capteurs inertiels hautes performances à transduction optique sur silicium

Inertial sensors with optomechanical transduction

• Auteur / Autrice : Louise Banniard
• Direction : Sébastien Hentz, Guillaume Jourdan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 27/11/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Ivan Favero
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Checoury
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Checoury, Tarik Bourouina

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium -- Substrats

Nitrure de silicium

Photonique

Systèmes microélectromécaniques

Accéléromètres

Capteurs (technologie)

Mots clés libres

Optomécanique

Photonique sur silicium

Capteur inertiel

Nems

Mems

Accéléromètres

Optomechanic

Silicon photonics

Inertial sensors

Mems

Nems

Accelerometers

Résumé

De nombreux domaines requièrent des accéléromètres à très hautes performances, que ce soit pour des systèmes de navigation ou le marché de l'électronique ou encore dans le domaine de la recherche.Beaucoup de méthodes différentes ont été utilisées pour mesurer une accélération comme les accéléromètres capacitifs, piezorésitifs ou encore thermiques. Cependant la transduction optomécanique semble pouvoir apporter de nouveaux avantages en comparaison des méthodes traditionnelles. En effet, l'optomécanique permet de détecter des déplacements mécaniques extrêmement petits et donc d'obtenir des résolutions très importantes tout en gardant une bande passante intéressante. Les capteurs optomécaniques contrairement aux capteurs basés sur d'autres méthodes, peuvent être utilisés dans des environnements non protégés des ondes électromagnétiques.Dans le cadre de ce travail, nous présentons un accéléromètre optomécanique avec une cavité optique résonante à Whispering Gallery Modes pour détecter le mouvement d'une masse inertielle. Le mouvement de cette dernière modifie les conditions de résonance de la cavité ce qui conduit à une modulation de la puissance optique en sortie du capteur. Trois différents modèles d'accéléromètres optomécaniques seront détaillés ainsi que leur développement technologique. Nous présenterons également leurs caractérisations optiques et mécaniques.Finalement ces travaux de recherche permettent d'évaluer le potentiel d'une approche optomécanique pour la conception d'accéléromètres à hautes performances.

High performance accelerometers are required in many different domains as sophisticated navigation control systems, research or consumer electronics.A variety of transduction mechanisms has been used to sense the acceleration: capacitive, piezoresistive, thermal... Optomechanical transduction is a promising avenue to realize accelerometers with extremely sensitive readout of mechanical motion with high bandwidth. This also has the advantage of being immune to electromagnetic interferences contrary to the traditional transduction methods.In this work, an optomechanical accelerometer is presented which employs Whispering Gallery Modes disk or ring resonator as displacement sensor. The motion of an inertial mass detunes the resonant cavity and thus modulates the optical power at the output of the sensor.The designs and technological developments of three optomechanical accelerometers are described. We present also the optical and mechanical sensor characterisations. The aim of the thesis is to evaluate the potential of an optomechanical approach for high performance accelerometers.