Modélisation, fabrication et caractérisation expérimentale de réseaux MEMS faiblement couplés pour la détection de masse

Modeling, fabrication and experimental characterization of weakly coupled MEMS arrays for mass detection

• Auteur / Autrice : Toky Harrison Rabenimanana
• Direction : Joseph Lardies, Vincent Walter, Najib Kacem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Skandar Basrour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joseph Lardies, Vincent Walter, Najib Kacem, Skandar Basrour, Sébastien Hentz, Claude-Henri Lamarque, Jérôme Juillard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Hentz, Claude-Henri Lamarque

Mots clés

Mots clés contrôlés

Masse (physique) -- Mesure

Systèmes microélectromécaniques

Mots clés libres

Localisation de modes

MEMS

Défauts de fabrication

Couplage mécanique

Non-Linéarités électrostatique

Gamme dynamique

Détecteur de masse

Mode localization

MEMS

Manufacturing defects

Mechanical coupling

Electrostatic nonlinearities

Dynamique range

Mass sensor

Résumé

Une étude sur les détecteurs de masse utilisant la localisation d’Anderson est menée dans le cadre de cette thèse. Différents moyens permettant d’améliorer leurs performances sont proposés et démontrés à travers deux dispositifs MEMS. Les deux dispositifs utilisent le même système composé de deux cantilevers couplés mécaniquement, mais les vibrations sont générées de deux manières différentes: le premier dispositif est actionné par une force électrostatique attractive tandis que le second est actionné par une force électrostatique répulsive. Afin de se débarrasser du déséquilibre créé par les défauts de fabrication, on utilise l’assouplissement électrostatique en réglant la tension continue de l’actionnement. Pour le premier dispositif, une approche utilisant un système asymétrique avec deux cantilevers de longueurs différentes est proposée. On réduit alors la rigidité effective de la poutre courte pour équilibrer le système. Avec le second type d’actionnement, le faible assouplissement électrostatique nous oblige à utiliser deux micropoutres de même longueur. Mais le système est toujours équilibré de la même manière. Grâce à la fonctionnalisation des non-linéarités électrostatiques, le premier dispositif montre une meilleure sensibilité, qui est de 67% supérieure à la sensibilité maximale atteignable en régime linéaire. Quant au second dispositif, il montre l’absence de non-linéarités électrostatiques, ce qui permet d’augmenter sa gamme dynamique linéaire jusqu’à 70% de la distance qui sépare les poutres des électrodes inférieures. Cela devrait améliorer non seulement la résolution en masse du détecteur, mais aussi la précision des mesures. Tous ces concepts sont d’abord étudiés théoriquement avec le modèle analytique basé sur la théorie d’Euler-Bernoulli. Ils sont ensuite démontrés expérimentalement après que les détecteurs aient été fabriqués suivant le processus MUMPS.

A study on mass microsensors using Anderson localization is conducted in this thesis. Different ways allowing to enhance their performances are proposed and demonstrated through two MEMS devices. Both devices use the same system composed of two mechanically coupled cantilevers, but the vibrations are generated in two different ways: the first device is actuated with an attractive electrostatic force while the second device is actuated with a repulsive electrostatic force. In order to get rid of initial imbalance due to manufacturing defects, the electrostatic softening effect is used by tuning the DC voltage of the actuation. For the first device, a concept with an asymmetric system including two cantilevers of different lengths is proposed. We thus reduce the effective stiffness of the short cantilever to balance the system. With the second type of actuation, the weak electrostatic softening effect forces us to use two microbeams of the same length. But the system is still balanced with the same approach. Thanks to the functionalization of electrostatic nonlinearities, the first device shows an enhanced sensitivity, which is 67% higher than the maximum sensitivity reachable in the linear regime. Concerning the second device, it shows the absence of electrostatic nonlinearities, which allows to increase the linear dynamic range by up to 70% of the gap. It should improve not only the mass resolution of the sensor, but also the accuracy of the mass sensing. All of these concepts are first theoretically investigated with the developed analytical model based on the Euler-Bernoulli beam theory. They are then experimentally demonstrated after the sensors are manufactured with the MUMPS.