Improving performance and reliability of M&NEMS accelerometers based on resonant detection - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Improving performance and reliability of M&NEMS accelerometers based on resonant detection

Amélioration des performances et de la fiabilité d’accéléromètres à détection résonante en technologie M&NEMS

Résumé

Resonant beam accelerometers have demonstrated their ability to achieve sub-µg floor noise previously reserved for macroscopic accelerometers. These microelectromechanical systems (MEMS) are promising candidates for high-precision commercial applications due to their low cost, small size, and batch manufacturability. In the vast majority of commercial MEMS inertial sensors, the proof mass and sensing elements are etched into the same silicon layer. In the special case where the sensing element is a resonant beam, the use of a single layer of silicon imposes a trade-off between the sensitivity and the bandwidth of the accelerometer. Breaking the single layer trade-off could allow to address much more sensitive sensors and would open the field to new applications requiring high performance integrated sensors. Thanks to a multilayer process, the proposed accelerometer takes advantages of micrometric proof mass as well as benefits of nanoresonator. In addition, the piezoresistive properties of the nanoresonator enable a performant transduction method to measure its high frequency operation.This works considers the challenges of using piezoresistive nanoresonator as force sensor in inertial application. One, the modelling, design and fabrication of the first generation of sensor is presented. Because the designed nanoresonator operates up to the MHz, a dedicated readout electronics is designed in partnership with the Polytechnic University of Milan. The second part of this work focuses on the characterization of in-plane accelerometers. The use of the multi-layer process allows reaching the highest sensitivity of the state of the art for 0.18mm² mass footprint, i.e. 100,000 ppm/g with <1% nonlinearity over the ±1g range. The noise analysis shows that the thermomechanical noise of the accelerometer is overcome and that the detection limit of the nano-beam is reached, i.e. 1.75µg/√Hz of floor noise on 1-kHz bandwidth. The last part deals with the improvement of the accelerometer and nanoresonator architecture in order to overcome the operating limitations highlighted by the experimental results. Because the manufacturing process is compatible with the gyro sensor and out-of-plane accelerometer, the proposed technology provides a manufacturing platform for 6-axis inertial measurement units (IMU) as well as a good detection method for pressure sensor or magnetometer
Les accéléromètres à poutre vibrante ont démontré leur capacité à atteindre un niveau de bruit inférieur au µg, auparavant réservé aux accéléromètres macroscopiques. Ces systèmes microélectromécaniques (MEMS) sont des candidats prometteurs pour les applications commerciales de haute précision en raison de leur faible coût, de leur petite taille et de leur possibilité de fabrication en série. Dans la grande majorité des capteurs inertiels commerciaux, la masse étalon et les éléments de détection sont gravés dans la même couche de silicium. Dans le cas particulier où l'élément de détection est une poutre résonnante, l'utilisation d'une seule couche de silicium implique un compromis entre la sensibilité et la bande passante de l'accéléromètre. La rupture de ce compromis pourrait permettre de concevoir des capteurs beaucoup plus sensibles et ouvrirait le champ à de nouvelles applications nécessitant des capteurs intégrés de haute performance. Grâce à un procédé multicouche, l'accéléromètre proposé bénéficie d'une masse d'épreuve micrométrique ainsi que des avantages des nano- résonateur résonnantes. De plus, les propriétés piézorésistives des nano- résonateur permettent de mesurer leur fonctionnement à haute fréquence.Ce travail montre les défis de l'utilisation d'un nano-résonateur piézorésistif comme capteur de force dans une application inertielle. D'abord, la modélisation, la conception et la fabrication de la première génération de capteur sont présentées. Comme le nano-résonateur conçu fonctionne au-delà du MHz, une électronique de lecture dédiée est conçue en partenariat avec l'Université Polytechnique de Milan. La deuxième partie de ce travail se concentre sur la caractérisation des accéléromètres dans le plans. L'utilisation du procédé multicouche permet d'atteindre la plus haute sensibilité de l'état de l'art pour une empreinte de masse de 0.18mm², i.e. 100,000 ppm/g avec <1% de non-linéarité sur la gamme ±1g. L'analyse du bruit montre que le bruit thermomécanique de l'accéléromètre est surmonté et que la limite de détection du nano-résonateur est atteinte, i.e. 1,75µg/√Hz de bruit de fond sur une bande passante de 1 kHz. La dernière partie traite de l'amélioration de l'architecture de l'accéléromètre et des nano-résonateurs afin de surmonter les limites de fonctionnement mises en évidence par les résultats expérimentaux. Le processus de fabrication étant compatible avec des capteurs gyroscopiques et des accéléromètres hors plan, la technologie proposée fournit une plateforme de fabrication pour les unités de mesure inertielle (IMU) à 6 axes ainsi qu'une bonne méthode de détéction pour le capteur de pression ou le magnétomètre.
Fichier principal
Vignette du fichier
MIANI_2022_archivage.pdf (30.5 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03710506 , version 1 (30-06-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03710506 , version 1

Citer

Théo Miani. Improving performance and reliability of M&NEMS accelerometers based on resonant detection. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. English. ⟨NNT : 2022GRALT022⟩. ⟨tel-03710506⟩
198 Consultations
54 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More