Capteurs intégrés MEMS

Ref: 2EL2530

Description

Dans de nombreux domaines applicatifs - automobile, médecine, aéronautique et défense, télécommunications ou électronique de grande consommation (smartphone, tablettes) - le développement ou l’intégration de capteurs miniaturisés MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) constitue désormais un passage obligé du déploiement d’applications connectées. Ces dispositifs sont utilisés comme capteurs (accéléromètres, gyroscopes, capteurs de pression, microphones, etc.), actionneurs (imprimantes jet d'encre, displays optiques) ou dans la conversion d'énergie. Ils présentent de tels avantages en termes de fiabilité, de consommation, de métrologie, de dimensions et de coût, qu’ils sont rapidement devenus, depuis les années 90, des éléments essentiels (mais invisibles) de notre quotidien, et sont appelés à jouer un rôle croissant dans notre avenir.

Ce cours couvre des aspects théoriques et pratiques, du point de vue de la modélisation (modélisation multi-physique / multi-domaine, réduction d'ordre de modèle), de la physique (mécanique, électrostatique, fluidique, limites métrologiques fondamentales), de la technologie (techniques de micro-fabrication, intégration, packaging), et de l'économie (rentabilité). Il a pour ambition de proposer un tour d'horizon complet du domaine, qui intéressera à la fois les étudiants amoureux de "belle physique" et de conception de systèmes complexes, ou encore ceux qui souhaitent appréhender l'industrialisation à grande échelle de dispositifs intégrés.

Des stages de césure chez des grands noms des MEMS, français et internationaux, sont proposés chaque année.

Numéro de trimestre

SG6

Prérequis

Pas de pré-requis particulier.

Syllabus

CM = 13.5 HPE
CM 1 – Panorama des MEMS (applications : capteurs, actionneurs, transducteurs, acteurs principaux)
CM 2-3 – Capteurs Inertiels MEMS, Mécanique et modélisation
CM 4-5 – Transduction et Forces à l'échelle des MEMS 
CM 6-7  – Fabrication, intégration et packaging
CM 8-9 – Industrialisation des MEMS

TDs = 6 HPE + 6 HEE
Homework - Accéléromètre pendulaire - modélisation et simulation (premiers pas avec Coventor) - 3HEE
TD papier - Magnétomètre résonant AM - 3 HPE
TD info - Gyroscopes vibrant MEMS - 3HPE (modes séparés) + 3HEE (modes dégénérés)

Projets = 9 HPE + ??? HEE
Reverse engineering d'un accéléromètre 3 axes commercial
Etude d'un accéléromètre 2 axes résonant
Optimisation d'un magnétomètre résonant FM
Modélisation de switches d'accélération MEMS
etc.

Composition du cours

Cours magistraux (13.5h), PC (6h), projets (9h)
Cours et supports en anglais. Polycopié disponible en français.

Notation

QCM sur cours magistraux / PCs (50%) Rapport de projet (50%).
Compétences C1 et C2 évaluées via QCM + note projet (hors partie simu)
Compétence C6 évaluée sur note projet (partie simu exclusivement)

Ressources

Logiciel MEMS+ Coventor (accès à 50 licences gratuites accordé par l'entreprise)



Résultats de l'apprentissage couverts par le cours

Connaître les principaux types de capteurs / actionneurs MEMS et leurs applications
Connaître les principaux procédés de fabrication, d'intégration et de packaging des dispositifs MEMS
Connaître les principaux phénomènes physiques mis en jeu à l'échelle micro (mécanique, transduction, dissipation, bruit)
Comprendre globalement le fonctionnement des capteurs inertiels MEMS (accéléromètres, gyroscopes), de la physique, à l'électronique et aux lois de commande.
Etre capable de dimensionner un tel système, et de le simuler à l'aide d'un outil de conception métier

Description des compétences acquises à la fin du cours

C1/C2/C6

Support de cours, bibliographie

Practical MEMS, V. Kaajakari, Small Gear Publishing, 2009
Inertial MEMS, principles and practice, V. Kempe, Cambridge University Press, 2011
Micro Mechanical Transducers, Pressure sensors, Accelerometers and Gyroscopes, M.-H. Bao, Elsevier, 2000
Micromachined Transducers Sourcebook, G. T. A. Kovacs, McGraw-Hill, 1998