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

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.