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Soutenance de thèse de Thomas LAVERGNE

Soutenance de thèse de Thomas LAVERGNE

Vendredi 30 Septembre 2011 à 14h00, Salle de conférences - Bât IAM - 4ième étage

Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DU MAINE
Spécialité : ACOUSTIQUE

Sujet :
Modélisation analytique et caractérisation expérimentale de microphones capacitifs en hautes fréquences : étude des couches limites thermiques, effets des perforations de l’électrode arrière sur la déformée de membrane

devant le jury composé de :
- Bertrand Dubus Directeur de Recherches au CNRS, IEMN, Lille Rapporteur
- Philippe Herzog Directeur de Recherches au CNRS, LMA, Marseille Rapporteur
- Salvador Barrera-Figueroa Ingénieur R&D, Dr., DFM, Kongens Lyngby (DK) Examinateur
- Dominique Rodrigues Ingénieur R&D, Dr., LNE, Trappes Examinateur
- Pierrick Lotton Directeur de Recherches au CNRS, LAUM, Le Mans Examinateur
- Nicolas Joly Maître de Conférences, HDR, LAUM, Le Mans Directeur de thèse
- Stéphane Durand Maître de Conférences, HDR, LAUM, Le Mans Co-directeur de thèse
- Michel Bruneau Professeur Émérite, LAUM, Le Mans Co-encadrant de thèse

Résumé :

Les microphones capacitifs sont des transducteurs réciproques dont les qualités (sensibilité, bande passante et tenue dans le temps) en font des instruments de mesure performants. Couramment utilisés jusqu’à présent en récepteurs dans l’air à pression atmosphérique et à température ambiante, dans la gamme de fréquences audibles, ils sont correctement caractérisés dans ce cadre depuis près de trente ans.

Mais aujourd’hui, leur miniaturisation (par procédé MEMS) et leur usage nouveau en métrologie fine (en récepteurs comme en metteurs) qui exigent une connaissance précise de leur comportement dans des domaines de fréquences élevées (jusqu’à 100 kHz), dans des mélanges gazeux aux propriétés différentes de celles de l’air et dans des conditions de pression et de température beaucoup plus élevées ou beaucoup plus basses que les conditions standards - nécessitent une caractérisation plus approfondie de ce type de transducteur, aussi bien en terme de modélisation qu’en terme de résultats expérimentaux.

C’est ainsi que ici -i/ les effets des couches limites thermiques (seules les couches limites visqueuses sont habituellement retenues) sont introduits dans le modèle, ce qui amène à une étude analytique préalable de la diffusion thermique en parois minces (dont la portée dépasse le cadre strict du transducteur), -ii/ l’influence des orifices de l’électrode arrière sur la déformée de la membrane est traitée au départ par une méthode analytique originale, qui permet de traduire les conditions en frontière non uniformes sur la surface de l’électrode sous forme de sources locales virtuelles, associées à des conditions de frontière rendues uniformes, -iii/ des solutions analytiques nouvelles, dependant à la fois des coordonnées radiales et azimutales, sont obtenues pour le champ de déplacement de la membrane et pour les champs de pression dans les cavités du microphone par usage de théories modales compatibles avec les couplages multiples qui y prennent place, -iv/ un modèle de « circuit à constantes localisées » est proposé, à des degrés divers de précision, qui permet en particulier d’accéder de façon simple à la sensibilité et au bruit thermique du microphone, -v/ une étude au vibromètre laser à balayage a été réalisée, qui permet non seulement de mettre en évidence pour la première fois les déformées de membrane complexes qui apparaissent en hautes fréquences, mais encore de les quantifier et par-delà de valider les résultats théoriques obtenus et donc les modèles proposés (même s’ils restent perfectibles).