Doctorant (H/F) : Méthodes de mesure pour capteurs MEMS en environnement sévère / Advanced measurement methods for MEMS sensors in harsh environments
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Méthodes avancées de mesure pour les capteurs MEMS en environnement sévère
Lien Portail Emploi CNRS pour candidater : https://emploi.cnrs.fr/Offres/Doctorant/UPR8001-BERLEG-004/Default.aspx
Contexte général :
Depuis 30 ans, les microsystèmes électromécaniques (MEMS) ont donné lieu à de multiples applications de notre quotidien. Par exemple dans les smartphones, actionneurs et capteurs MEMS assurent des fonctions essentielles : microphone et haut-parleur, accéléromètre, gyroscope, boussole ou encore capteur de pression. Fabriqués en technologie silicium, ils sont généralement exploités dans un régime de fonctionnement linéaire et disposent d'une électronique de proximité pour lire et traiter le signal.
Parallèlement à ces applications de grande diffusion, les capteurs MEMS présentent un intérêt grandissant pour des applications spécifiques en environnement sévère. Il s'agit par exemple de milieux où règnent de fortes températures, pressions, radiations ou des milieux corrosifs ou explosifs. Cela amène de nouveaux défis scientifiques et technologiques pour la réalisation et l'exploitation des capteurs, liés à la nature des matériaux employés, à la robustesse de la conception mécanique, à la fiabilité, au vieillissement ou encore à l'acquisition et au traitement du signal en milieu dégradé, parmi beaucoup d'autres.
Description du sujet de thèse :
Les travaux se concentreront sur les aspects liés aux méthodes d'acquisition et de traitement du signal d'un capteur MEMS évoluant en milieu sévère. L'application retenue ici est la détection de gaz en milieu à risque explosif. Deux voies seront explorées. La première concerne l'interrogation sans fil et à distance des capteurs par voie radiofréquence. Elle présente l'avantage de pouvoir s'appliquer à des capteurs passifs, c'est-à-dire qui n'embarquent pas de source d'énergie (batterie) ni d'électronique de proximité, éléments les plus susceptibles de défaillance en environnement sévère. La seconde direction, plus exploratoire, concerne l'étude des modes avancés de fonctionnement des MEMS pour pallier la dégradation du rapport signal sur bruit de mesure 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. Tous deux conduisent en effet à une réponse exaltée voire exponentielle du capteur MEMS à une variation de la grandeur à mesurer, contournant ainsi les limitations traditionnelles des régimes de détection linéaires.
Dans ce cadre, le candidat (H/F) aura la charge de :
Concevoir et fabriquer sur silicium des prototypes de capteur MEMS capacitifs :
o Pour la détection de gaz au travers de leurs propriétés physiques ;
o Compatibles avec l'interrogation à distance par voie radiofréquence ;
o Présentant des non-linéarités marquées.
Etudier les régimes linéaire, non linéaire et chaotique des capteurs MEMS :
o Modélisation analytique et/ou numérique des 3 régimes ;
o Caractérisation expérimentale des 3 régimes ;
o Etude du problème inverse permettant de déterminer la variation de la grandeur à mesurer à partir de la signature du régime chaotique.
Réaliser des expériences de détection de gaz (par exemple H2 dans N2) :
o Acquisition de mesure dans les 3 régimes linéaire, non linéaire et chaotique ;
o Acquisition de mesure à distance par voie radiofréquence ;
o Comparaison des performances obtenues ;
o Application à la détermination de la composition d'un mélange inconnu de gaz.
Profil souhaité :
Le candidat (H/F) recruté aura une solide formation en sciences et techniques 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 et la faculté d'adaptation sont des atouts importants étant donné la pluridisciplinarité du domaine de recherche.
Le sujet s'inscrit dans le cadre du PEPR Électronique du programme national France 2030, et plus précisément dans le projet ciblé RESISTE. La thèse se déroulera au LAAS à Toulouse, en lien étroit avec les partenaires du projet : l'IMS à Bordeaux, le CEA-LETI et TIMA à Grenoble.
Le LAAS est une unité propre de recherche du CNRS située à Toulouse avec 600 personnels dont 200 chercheurs et enseignants-chercheurs. Les principaux axes de recherche sont l'énergie, l'industrie du futur, l'espace, la santé et l'environnement ainsi que le transport. Le LAAS dispose d'une salle blanche de 1500 m² intégrée au réseau national RENATECH.
Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.
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Advanced measurement methods for MEMS sensors in harsh environments
Application through Portail Emploi CNRS : https://emploi.cnrs.fr/Offres/Doctorant/UPR8001-BERLEG-004/Default.aspx
General context :
For 30 years, micro electromechanical systems (MEMS) have given rise to multiple applications in our daily lives. For example, in smartphones, MEMS actuators and sensors perform essential functions: microphone and loudspeaker, accelerometer, gyroscope, compass and pressure sensor. Fabricated using silicon technologies, they are generally operated in a linear regime and have proximity electronics to read and process the signal.
Alongside these widespread applications, MEMS sensors are of growing interest for specific applications in harsh environments. These are, for example, environments with a high temperature, pressure, radiation, or corrosive or explosive environments. This brings new scientific and technological challenges for the production and use of sensors, related to the nature of the materials used, the robustness of the mechanical design, the reliability, aging, and the acquisition and processing of the signal in a degraded environment, among many others.
Topic description:
The work will focus on aspects related to methods of signal acquisition and processing of a MEMS sensor operating in a harsh environment. The application chosen here is gas detection in an explosive risk environment. Two directions will be explored. The first concerns the wireless and remote interrogation of sensors by radio frequency. It has the advantage of being able to be applied to passive sensors, i.e. sensors which do not carry an energy source (battery) or proximity electronics, elements most likely to fail in a harsh environment. The second direction, more exploratory, concerns the study of advanced modes of operation of MEMS. It aims at overcoming the degradation of the signal-to-noise ratio inherent to operation in a harsh environment and to remote interrogation. For this, the exploitation of non-linearities and of the chaotic regime is promising. Both lead in fact to an enhanced or even exponential response of the MEMS sensor to a variation of the quantity to be measured, thus circumventing the traditional limitations of the linear detection.
In this context, the candidate (M/F) will be responsible for:
Design and fabrication of capacitive MEMS sensors:
o For the detection of gases through their physical properties;
o Compatible with remote interrogation by radio frequency;
o Featuring strong non-linearities.
Study of the linear, nonlinear and chaotic regimes of MEMS sensors:
o Analytical and/or numerical modeling of the 3 regimes;
o Experimental characterization of the 3 regimes;
o Inverse problem solving allowing to determine the variation of the quantity to be measured from the signature of the chaotic regime.
Gas detection experiments (e.g. H2 in N2):
o Measurements in the linear, nonlinear and chaotic regimes;
o Remote measurements by radio frequency;
o Comparison and analysis of the performances;
o Determination of the composition of an unknown mixture of gases.
Candidate profile:
The recruited candidate (M/F) will have solid training in engineering sciences as well as good knowledge in the field of microsystems and microtechnologies. Skills in instrumentation and in experimental characterization will be appreciated. Scientific curiosity is an important asset given the multidisciplinary nature of the research field.
The subject is part of the PEPR "Electronique" of the France 2030 national program, and more specifically of the RESISTE project. The thesis will take place at LAAS in Toulouse, in close collaboration with the project partners: IMS in Bordeaux, CEA-LETI and TIMA in Grenoble.
LAAS is a CNRS research unit located in Toulouse and has 600 people, including 200 researchers. The main areas of research are energy, industry of the future, space, health and environment as well as transport. LAAS has 1500 m² clean room facilities integrated into the national RENATECH network.