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Étude, conception et caractérisation de structures « MEMS » résonantes non linéaires pour la récupération d’énergie vibratoire et la génération d’ultrasons

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Gratuze, Mathieu (2022). Étude, conception et caractérisation de structures « MEMS » résonantes non linéaires pour la récupération d’énergie vibratoire et la génération d’ultrasons. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le monde d’aujourd’hui est connecté, celui de demain le sera encore plus. Ces connections sont assurées par des objets connectés qui nous entourent, collectant et communiquant des données dont le volume ne cesse d’augmenter. C’est l’avènement de l’Internet des objets (IoT) qui demande et stimule le développement de nouveaux types de micro-systèmes électromécaniques (MEMS) : ces dispositifs remplissent les fonctions de capteurs, et permettent également d’alimenter en énergie ces réseaux de capteurs.

Ce travail vise à contribuer à l’avancement des connaissances accumulées dans le domaine des MEMS, et s’intéresse en particulier aux MEMS résonants dédiés à la récupération d’énergie vibratoire et à la génération d’ultrasons. Pour ce faire, une revue de littérature est tout d’abord présentée. Celle-ci porte sur les dispositifs MEMS, leur fabrication et leurs applications.

Suite à cette revue de littérature, la conception, fabrication et la caractérisation des structures de type "Squared daisy", un résonateur MEMS non-linéaire, sont présentées. Les principaux avantages de cette structure sont la présence de multiples modes de résonance, sa résistance aux variations de procédés de fabrication et sa réponse fréquentielle non-linéaire.

L’influence de l’ancrage dans les structures de type "squared daisy" sur le type de non-linéarité qu’elles présentent est étudiée. Cette présentation est couplée à la démonstration d’une méthode de caractérisation des performances des résonateurs MEMS non-linéaires permettant de s’affranchir de leur phénomène d’hystéresis.

Une méthode d’excitation des MEMS qui a été nommée "pulse shaping" est ensuite présentée. Cette méthode utilise les propriétés des transducteurs ultrasons micro-usinés (MUT) nonlinéaires, pour améliorer leurs performances. Il est à noter que cette méthode présente de nombreux avantages : elle permet d’augmenter le déplacement de la membrane, de contrôler la fréquence d’opération et le temps de décroissance des MUT.

Ultimement, cette thèse présente l’étude, la conception et la caractérisation d’une structure MEMS résonante non-linéaire avec pour application la récupération d’énergie vibratoire. Ces dispositifs ont ensuite été utilisés afin de développer une méthode de caractérisation pour résonateurs non-linéaires, puis d’élaborer une technique permettant d’améliorer la génération d’ultrasons. Ces méthodes permettront sans doute le développement d’une multitude de nouvelles applications et contribueront ainsi à l’avancement des connaissances scientifiques touchant aux MEMS résonnants.

Titre traduit

Study, design and characterization of non-linear resonant « MEMS » structures for vibrational energy harvesting and ultrasonic generation

Résumé traduit

Today’s world is connected, tomorrow’s will be even more so. These connections are provided by connected objects that surround us, collecting and communicating data whose volume is constantly increasing. It is the advent of the Internet of Things (IoT) which helps and motivates the development of new types of micro-electromechanical systems (MEMS) in order to fulfill the functions of sensors but also to supply energy to these sensor networks.

This work aims to contribute to the advancement of knowledge accumulated in the field of (MEMS), in particular this work focuses on resonant MEMS dedicated to the recovery of vibratory energy and the generation of ultrasound. To do this, first, a literature review is presented. It focuses on the MEMS devices, their fabrication and their applications.

Following this literature review, the design, fabrication and characterization of "Squared daisy" type structures is presented . The main advantages of this structure are the presence of multiple resonance modes, is resistance to manufacturing process variations and its a non-linear frequency response.

The influence of the anchoring in "squared daisy" structures on the type of non-linearity is then presented. This includes a method of characterization of the performances of the non-linear MEMS resonators which makes it possible to mitigate hysteresis.

A method of non-linear MEMS excitation which has been named "pulse shaping" is then proposed. This method uses the properties of non-linear micromachined ultrasonic transducers (MUT) to improve their performance. It should be noted that this method has many advantages : it allows for the increase of the displacement of the membrane, the control the operating frequency and the reduction of the decay time of the MUT.

Ultimately, this thesis describes the study, design and characterization of a nonlinear resonant MEMS structure for energy harvesting from vibrations. These devices were then used to develop a characterization method for non-linear resonators, and to elaborate a technique to improve the generation of ultrasound. These methods will undoubtedly allow the development of new applications and will thus contribute to the advancement of scientific knowledge on resonant MEMS.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 127-140).
Mots-clés libres: MEMS, nonlinéarité, PMUT, récupération d’énergie
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Nabki, Frédéric
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 27 mai 2022 14:38
Dernière modification: 27 mai 2022 14:38
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3003

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