Mesures physiques

Capteurs inertiels vibrants miniatures
Nouvelles applications

Le département met à profit les compétences acquises dans le domaine des capteurs inertiels vibrants pour aborder d'autres applications :

Le projet NANORES

Le projet Nanores, piloté par le CEA-LETI, en collaboration avec l’IEF et les industriels MBDA, 01db-Metravib et NXP, consiste en l’étude et la réalisation d’un microcapteur de vibration, capable d’effectuer l’analyse spectrale d’un signal basse fréquence au moyen d’un réseau de nanorésonateurs. Dans ce projet, l’ONERA s’est chargé de la conception mécanique du dispositif.

Le principal défi a consisté à développer un système rendant les micro/nano-résonateurs, qui vibrent naturellement à des fréquences élevées allant typiquement de 100 kHz à 1 GHz, sensibles à des signaux de seulement quelques kHz. La solution élaborée met en œuvre une masse d’épreuve, sensible au signal mécanique basse fréquence ω (jusqu’à 6 kHz), et un réseau de 14 diapasons micrométriques de fréquence propre Ω₀ de l’ordre de 440 kHz. Le design retenu exploite notamment les propriétés non-linéaires du couplage électrostatique pour effectuer un hétérodynage électromécanique et déplacer le signal d’entrée vers le domaine des hautes fréquences.

Visualisation au Microscope Electronique à Balayage du dispositif de nanorésonateurs réalisé dans un substrat de silicium type SOI. Détail sur l’extrémité d’un diapason et son électrode d’excitation (section des poutres : 1.73 µm x 2 µm).

La résolution théorique du capteur a ainsi été évaluée à 10 mg/√Hz pour une étendue de mesure de 50 g. Le dispositif a été réalisé en silicium monocristallin dans la centrale technologique du CEA-LETI. Les caractérisations ont été menées par l’IEF au moyen de nouvelles méthodes telles que la profilométrie-vibrométrie interférométrique DUV.

Le projet ARQOMM

Le projet ARQOMM, proposé par le Laboratoire Kastler Brossel (LKB) et en collaboration avec le Laboratoire des matériaux Avancés (LMA), a pour objectif de mettre à profit l’extrême sensibilité des mesures interférométriques pour mettre en évidence les fluctuations quantiques de position d’un résonateur mécanique.

Pour atteindre le régime quantique, il faut atteindre des températures extrêmement basse, de l’ordre de 100 mK, obtenir une résolution en terme de déplacement de l’ordre de 10^-19 m/√Hz et disposer d’un résonateur de très grand coefficient de qualité (> 10 000), de haute fréquence (> MHz) et de faible masse (< 100 µg).

Pour atteindre cette limite de résolution, le résonateur doit être inséré dans une cavité Fabry-Perot de très grande finesse, ce qui nécessite de déposer sur une de ses faces un miroir de très faibles pertes aussi bien en absorption (< 1 ppm) que par diffusion (< 5 ppm).  C’est le LMA qui est chargé de la réalisation des µ-miroirs du résonateur, l’ONERA ayant la charge de la conception et de la réalisation du microrésonateur.

Les premières réflexions ont convergé vers un micro-résonateur en quartz. La géométrie du résonateur a été optimisée pour être compatible avec un procédé de réalisation par gravure humide du quartz et a été optimisée dans le but de maximiser son coefficient de qualité. Un coefficient de qualité supérieur à 500 000 à température ambiante à une fréquence de quelques MHz est attendu. Cette première génération de résonateur sera prochainement testée à l’ONERA et au LKB.