Description du sujet de thèse

Méthodes avancées de mesure pour les capteurs MEMS en environnement sévère

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.

Contexte de travail

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.