Circuit intégré pour l’ajustement électromécanique de la dynamique de dispositifs MEMS

Publié le : 14 mars 2021

Au cours de sa thèse, le doctorant aura à explorer et à évaluer les possibilités d’ajustement par effet de couplage électromécanique entre un dispositif MEMS et son interface électrique. Pour évaluer divers dispositifs, l’étudiant aura accès à des caractérisations électriques et des modélisations préliminaires de différents MEMS développés dans les salles blanches de notre institut de recherche, notamment les dispositifs dits PMUT. Le doctorant pourra également s’inspirer de techniques d’ajustement déjà éprouvées par notre équipe de recherche sur des résonateurs macroscopiques à transduction. Une revue de l’état de l’art international et les contraintes industrielles glanées dans notre environnement collaboratif industrie/recherche permettront également de positionner habillement notre recherche. Le doctorant sera en charge de choisir un niveau de modélisation et de mettre en place un environnement de simulation permettant de prédire les performances de diverses techniques d’ajustement sur l’ensemble de la chaine (du dispositif au circuit). Il prédira notamment l’impact de l’application de champs électriques et/ou magnétiques par l’intermédiaire de tension et courant fournis par l’interface électrique sur différents dispositifs. Par exemple, il combinera de façon avantageuse les concepts d’inversion de charges dans un matériau piézoélectrique, la mise en court-circuit ou circuit-ouvert notamment, pour émuler des charges électriques actives et réactives, qui moduleront la raideur et la masse intrinsèques du résonateur mécanique. Il pourra proposer la modification des dispositifs MEMS (ajout d’électrodes, géométrie maximisant le couplage, matériaux plus adaptés) en collaboration avec des technologues pour explorer une co-optimisation dispositif/circuit la plus adaptée, au moins au niveau simulation. L’aspect de l’auto-ajustement de ces techniques sera également abordé. En fonction des résultats, une ou plusieurs techniques seront identifiés pour leurs pertinences. Elles feront l’objet d’une implémentation en circuit intégré en technologie CMOS. Le doctorant aura en charge la spécification de l’ensemble des sous-blocs constituant la technique (détecteur de tension, étage de commutation, amplificateur…) et réalisera la conception « au niveau transistor ». Le circuit sera fabriqué par un sous-traitant sur une technologie CMOS à maturité industrielle. L’étudiant concevra la carte, conduira les caractérisations électriques du circuit et mettra en œuvre l’assemblage MEMS/circuit pour prouver expérimentalement l’intérêt des techniques sélectionnées.

Le déroulement de la thèse suit un schéma en boucles itératives d’apprentissage (matériau, composant, circuit, caractérisation électrique, modélisation), dont le nombre d’itération sera fonction de l’avancement du travail du candidat sur trois ans, de la fabrication des échantillons, et de l’évolution des dispositifs en salle blanche. Des dispositifs macroscopiques, s’approchant des propriétés des dispositifs MEMS visés en premier ressort, pourront être envisagés pour arriver à une expérimentation couplant dispositif et circuit. Le point de départ sera construit autour de la génération actuelle de composants MEMS pour étendre les caractérisations et construire un macro-modèle qui permettra d’explorer différentes topologies de circuits d’interface.

Le doctorant développera ses compétences en conception de circuits intégrés (approximativement 50%), en mécatronique (30%) et en procédé microélectronique (20%) dans un schéma de thèse de conception de circuit proche du dispositif à contrôler. Il sera intégré dans un laboratoire spécialisé en intégration d’interfaces capteurs. Il devra présenter un excellent niveau scolaire et avoir des notions en électronique analogique. La connaissance des procédés microélectroniques et des outils de conception de circuits intégrés seraient des atouts. Enfin, il présentera une bonne capacité de travail personnel, un goût prononcé pour le travail en équipe, et une motivation pour les challenges techniques.

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