Méthodes de mesure pour capteurs MEMS en environnements sévères

Le sujet s’inscrit dans le cadre du PEPR « Electronique » du programme national France 2030, et plus spécifiquement du projet RESISTE. La thèse se déroulera au LAAS de Toulouse, en étroite collaboration avec les partenaires du projet : IMS à Bordeaux, CEA-LETI et TIMA à Grenoble.

Le LAAS est une unité de recherche du CNRS située à Toulouse et compte 600 personnes dont 200 chercheurs. Les principaux domaines de recherche sont l’énergie, l’industrie du futur, l’espace, la santé et l’environnement ainsi que les transports. Le LAAS dispose de 1500 m² de salles blanches intégrées au réseau national RENATECH.

Méthodes de mesure avancées pour les capteurs MEMS dans des environnements difficiles

Contexte général :
Depuis 30 ans, les systèmes microélectromécaniques (MEMS) donnent naissance à de multiples applications dans notre vie quotidienne. Par exemple, dans les smartphones, les actionneurs et capteurs MEMS remplissent des fonctions essentielles : microphone et haut-parleur, accéléromètre, gyroscope, boussole et capteur de pression. Fabriqués à partir de technologies silicium, ils fonctionnent généralement en régime linéaire et disposent d’une électronique de proximité pour lire et traiter le signal.
A côté de ces applications généralisées, les capteurs MEMS présentent un intérêt croissant pour des applications spécifiques en environnements sévères. Il s’agit par exemple d’environnements à température, pression, rayonnement élevés ou d’environnements corrosifs ou explosifs. Cela amène de nouveaux défis scientifiques et technologiques pour la production et l’utilisation de capteurs, liés à la nature des matériaux utilisés, à la robustesse de la conception mécanique, à la fiabilité, au vieillissement, à l’acquisition et au traitement du signal en environnement dégradé, entre autres. beaucoup d’autres.

Description du sujet :
Les travaux porteront sur les aspects liés aux méthodes d’acquisition et de traitement du signal d’un capteur MEMS fonctionnant dans un environnement sévère. L’application choisie ici est la détection de gaz en environnement à risque explosif. Deux directions seront explorées. Le premier concerne l’interrogation sans fil et à distance des capteurs par radiofréquence. Il présente l’avantage de pouvoir s’appliquer à des capteurs passifs, c’est-à-dire des capteurs qui ne transportent pas de source d’énergie (batterie) ni d’électronique de proximité, éléments les plus susceptibles de tomber en panne dans un environnement sévère. La deuxième direction, plus exploratoire, concerne l’étude des modes avancés de fonctionnement des MEMS. Il vise à pallier la dégradation du rapport signal sur bruit inhérente au fonctionnement en environnement sévère et à l’interrogation à distance. Pour cela, l’exploitation des non-linéarités et du régime chaotique est prometteuse. Les deux conduisent en effet à une réponse améliorée, voire exponentielle, du capteur MEMS à une variation de la grandeur à mesurer, contournant ainsi les limitations traditionnelles de la détection linéaire.

Dans ce contexte, le candidat (H/F) sera en charge de :
Conception et fabrication de capteurs MEMS capacitifs :
o Pour la détection de gaz à travers leurs propriétés physiques ;
o Compatible avec l’interrogation à distance par radiofréquence ;
o Présentant de fortes non-linéarités.

Etude des régimes linéaires, non linéaires et chaotiques des capteurs MEMS :
o Modélisation analytique et/ou numérique des 3 régimes ;
o Caractérisation expérimentale des 3 régimes ;
o Résolution de problème inverse permettant de déterminer la variation de la grandeur à mesurer à partir de la signature du régime chaotique.

Expériences de détection de gaz (ex. H2 dans N2) :
o Mesures dans les régimes linéaire, non linéaire et chaotique ;
o Mesures à distance par radiofréquence ;
o Comparaison et analyse des performances ;
o Détermination de la composition d’un mélange de gaz inconnu.

Profil du candidat :
​​Le candidat recruté (H/F) aura une solide formation en sciences de l’ingénieur ainsi que de bonnes connaissances dans le domaine des microsystèmes et des microtechnologies. Des compétences en instrumentation et en caractérisation expérimentale seront appréciées. La curiosité scientifique est un atout important compte tenu de la nature multidisciplinaire du domaine de recherche.