Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La plupart des capteurs inertiels MEMS commerciaux comportent une masse d’épreuve et des moyens de transductions issus d’une même couche de silicium. Il en découle des compromis forts, notamment pour la détection capacitive : une couche épaisse permet d’augmenter la masse et donc de réduire le bruit brownien; inversement, une couche fine permet de réduire la taille des entrefers entre les électrodes, d’obtenir une variation de capacité plus importante, et donc de réduire la contribution du bruit électronique. Plusieurs composants MEMS multicouches ont déjà été réalisés et rapportés dans la littérature, mais aucun n’a cherché à augmenter la densité capacitive tout en réduisant le bruit thermomécanique. Pourtant, la disparition du compromis lié au procédé monocouche permet d’atteindre les hautes performances nécessaires aux applications émergeantes, en conservant la surface d’un capteur grand public.Cette thèse présente des accéléromètres multicouches à détection dans le plan et hors plan. Le procédé de fabrication combine une couche épaisse, dédiée à la réalisation de grandes masses d’épreuve, et une couche fine, permettant d’obtenir de fortes densités capacitives. Ces deux avantages, combinés à une détection par variation de surface, permettent d’obtenir une résolution de l’ordre du µg/rtHz, une grande gamme dynamique, tout en conservant une taille réduite. Le dimensionnement des capteurs a cherché à maximiser la gamme dynamique et minimiser le bruit en partant d’une taille fixée. D’abord analytique, il a été validé par des simulations par éléments finis.Le procédé de fabrication VLSI a été appliqué à des plaques 200mm. Plusieurs points critiques ont été rencontrés, notamment la surgravure des fonds de tranchée (notching). Combinée à la disparité de vitesse de gravure, elle a entrainé la destruction de beaucoup de capteurs hors plan. Ce problème a été résolu en amincissant la couche épaisse, entrainant une légère perte de performances.Les capteurs ont été caractérisés sur plaque (capacité statique, fréquence de résonance), puis au niveau puce (sensibilité, niveau de bruit, gamme dynamique). Ces dernières mesures ont nécessité le développement d’une électronique dédiée, à partir de composants discrets.Les accéléromètres dans le plan présentent une capacité statique et une fréquence de résonance très proches de la théorie. Ils atteignent une résolution de 8µg/rtHz pour une gamme dynamique de l’ordre de 160g. Cette dynamique de 145dB est fournie par un composant de seulement 0.24mm² ; elle est 100 fois plus élevée que la dynamique d’un composant grand public de même taille. De plus, la bande passante est importante et le capteur est lu en boucle ouverte.Les accéléromètres hors-plan présentent une forte fréquence de résonance, au-delà de 8kHz. La masse sismique plus fine, combinée à des ressorts plus larges, explique ce décalage par rapport au dimensionnement initial. Malgré la réduction de sensibilité induite, les capteurs présentent une résolution de 50 à 80µg/rtHz. L’encombrement est faible (jusqu’à 0.22mm²) et la gamme dynamique a été évaluée à plus de 200g. Dans le futur, des corrections de design et des améliorations dans le procédé de fabrication permettront d’utiliser l’épaisseur initialement prévue, afin d’harmoniser les performances avec celles de l’accéléromètre dans le plan et d’obtenir un accéléromètre 3-axes hautes performances.Ce type de capteurs pourrait jouer un grand rôle dans les applications émergentes en fournissant une bonne stabilité, un faible bruit et une grande gamme dynamique, tout en conservant l’empreinte d’un capteur grand-public.Ce nouveau procédé de fabrication montre donc déjà un gros potentiel à travers les premiers composants réalisés, mais ouvre également de nouvelles possibilités en termes de design. Dans le futur, il pourrait servir de plateforme technologique pour les capteurs inertiels, notamment les gyromètres, mais aussi pour les actionneurs, comme les micro-miroirs. / In the vast majority of commercial MEMS inertial sensors, both seismic mass and sensing elements are patterned in the same silicon layer. This sets stringent design trade-offs, in particular for a capacitive sensor: a large silicon thickness increases seismic mass and decreases the Brownian noise floor. A low silicon thickness on the other hand, allows smaller gaps between electrodes, higher capacitance variation and lower electrical noise floor. For this reason, several examples of multi-layer MEMS devices were presented in the past. Yet, increasing capacitance density while reducing mechanical noise floor has not been achieved so far. Breaking the single-layer trade-off could enable new emerging applications that require high-performance sensors within a consumer size.In this work, multi-layer, in-plane and out-of-plane accelerometer are presented. Thanks to the multi-layer process the devices can feature a thick layer for large inertial mass, as well as a thin layer for high capacitive density. These aspects, together with surface-variation detection, allow to obtain µg/√Hz resolution and large full-scale while keeping compact size.The sensors are designed through analytical modeling and finite elements method simulations in order to reach the highest dynamic range with the lowest noise at given footprint.Few critical aspects were encountered during the fabrication of the sensors, especially for out-of-plane accelerometers. The notching of the thick-layer etching coupled to the strong lag effect caused most of the z-axis sensors to fail. This forced a reduction of the process thickness and relative loss of performance for this type of sensors.The characterization of the sensors is performed both at wafer-level (static capacitance, resonance frequency) and at die level (scale factor, noise-floor, full-scale). The die-level measurements are carried out with a dedicated electronic circuit implemented with discrete components, developed during this work.In-plane accelerometers showed static capacitance and resonance frequency in line with theory. They achieved resolution smaller than 8 µg/rtHz and full scale in the order of 160g. These aspects together lead to a dynamic range of more than 145dB (BW=1Hz) for a device with a footprint of only 0.24 mm². This it more than 100 times larger than the DR of consumer device of similar size. These results are achieved while keeping a large bandwidth and working with an open-loop readout.Out-of-plane sensors showed resonance frequency higher than expected due to fabrication tolerances. The devices had both smaller mass and thicker springs explaining the observed mechanical behavior. Despite the loss of scale factor due to the larger resonance frequency, these sensors achieved resolution ranging from 50-80 µg/rtHz. Again, such performance was obtained while keeping large resonance frequency (>8 kHz), small footprint (down to 0.22 mm²) and a potential full-scale of more than 200g. In the future, design corrections and process improvement could lead to device with thicker inertial layer, aligning the performance of out-of-plane sensors to those of in-plane ones and leading to a high-performance 3-axis accelerometer.This type of sensor could address the demand of emerging applications for high-stability, low-noise and large DR accelerometers within consumer footprint.Finally, the proposed technology offers a fabrication platform for inertial MEMS sensors and actuators. New design possibilities and great potentialities have been demonstrated with the first fabricated accelerometers. In the future this new concept could be applied to several other types of MEMS, like gyroscope or micro-mirrors.

Cette thèse porte sur l’amélioration des techniques d’imagerie à haut-contraste permettant la détection directe de compagnons à de faibles séparations de leur étoile hôte. Plus précisément, elle s’inscrit dans le développement du Gemini Planet Imager (GPI) qui est un instrument de deuxième génération pour les télescopes Gemini. Cette caméra utilisera un spectromètre à champ intégral (SCI) pour caractériser les compagnons détectés et pour réduire le bruit de tavelure limitant leur détection et corrigera la turbulence atmosphérique à un niveau encore jamais atteint en utilisant deux miroirs déformables dans son système d’optique adaptative (OA) : le woofer et le tweeter. Le woofer corrigera les aberrations de basses fréquences spatiales et de grandes amplitudes alors que le tweeter compensera les aberrations de plus hautes fréquences ayant une plus faible amplitude. Dans un premier temps, les performances pouvant être atteintes à l’aide des SCIs présentement en fonction sur les télescopes de 8-10 m sont investiguées en observant le compagnon de l’étoile GQ Lup à l’aide du SCI NIFS et du système OA ALTAIR installés sur le télescope Gemini Nord. La technique de l’imagerie différentielle angulaire (IDA) est utilisée pour atténuer le bruit de tavelure d’un facteur 2 à 6. Les spectres obtenus en bandes JHK ont été utilisés pour contraindre la masse du compagnon par comparaison avec les prédictions des modèles atmosphériques et évolutifs à 8−60 MJup, où MJup représente la masse de Jupiter. Ainsi, il est déterminé qu’il s’agit plus probablement d’une naine brune que d’une planète. Comme les SCIs présentement en fonction sont des caméras polyvalentes pouvant être utilisées pour plusieurs domaines de l’astrophysique, leur conception n’a pas été optimisée pour l’imagerie à haut-contraste. Ainsi, la deuxième étape de cette thèse a consisté à concevoir et tester en laboratoire un prototype de SCI optimisé pour cette tâche. Quatre algorithmes de suppression du bruit de tavelure ont été testés sur les données obtenues : la simple différence, la double différence, la déconvolution spectrale ainsi qu’un nouvel algorithme développé au sein de cette thèse baptisé l’algorithme des spectres jumeaux. Nous trouvons que l’algorithme des spectres jumeaux est le plus performant pour les deux types de compagnons testés : les compagnons méthaniques et non-méthaniques. Le rapport signal-sur-bruit de la détection a été amélioré d’un facteur allant jusqu’à 14 pour un compagnon méthanique et d’un facteur 2 pour un compagnon non-méthanique. Dernièrement, nous nous intéressons à certains problèmes liés à la séparation de la commande entre deux miroirs déformables dans le système OA de GPI. Nous présentons tout d’abord une méthode utilisant des calculs analytiques et des simulations Monte Carlo pour déterminer les paramètres clés du woofer tels que son diamètre, son nombre d’éléments actifs et leur course qui ont ensuite eu des répercussions sur le design général de l’instrument. Ensuite, le système étudié utilisant un reconstructeur de Fourier, nous proposons de séparer la commande entre les deux miroirs dans l’espace de Fourier et de limiter les modes transférés au woofer à ceux qu’il peut précisément reproduire. Dans le contexte de GPI, ceci permet de remplacer deux matrices de 1600×69 éléments nécessaires pour une séparation “classique” de la commande par une seule de 45×69 composantes et ainsi d’utiliser un processeur prêt à être utilisé plutôt qu’une architecture informatique plus complexe. / The main goal of this thesis is the improvement of high-contrast imaging techniques enabling the direct detection of faint companions at small separations from their host star. More precisely, it answers some questions linked to the development of the Gemini Planet Imager (GPI), a second generation instrument for the Gemini telescopes. This instrument will use an integral field spectrometer (IFS) to characterize the detected faint companions and to attenuate the speckle noise limiting their detection. Moreover, it will use a combination of two deformable mirrors, the woofer and the tweeter, in its adaptive optics (AO) system in order to reach the atmospheric turbulence correction sought. The woofer corrects the low spatial frequency high amplitude aberrations while the ones with a high frequency and a low amplitude are compensated by the tweeter. First, the high-contrast imaging performance achieved by current on-line IFS on 8-10 m telescopes are investigated through the observation of the faint companion to the star GQ Lup using the IFS NIFS and the AO system ALTAIR presently in function on the telescope Gemini North. The angular differential imaging (ADI) technique is used to reach an attenuation of the speckle noise by a factor of 2 to 6. The JHK spectra obtained were used to constrain the mass of the companion to 8−60 MJup making it most likely a brown dwarf. MJup represents the mass of Jupiter. Current on-line IFS were conceived to be versatile so that they could be used in many astrophysical fields. Hence, their conception was not optimized for high-contrast imaging. The second part of this thesis objective was to build and test in the laboratory an IFS optimized for this task. Four speckle suppression algorithms were tested on the resulting data: the simple difference, the double difference, the spectral deconvolution and a novel algorithm developed in this thesis dubbed the spectral twin algorithm. We found the spectral twin algorithm to be the most efficient to detect both types of companions tested: methanated and non-methanated. The detection signal-to-noise ratio was improved by a factor up to 14 for the methanated companion and up to 2 for a non-methanated one. In the last part, problems linked to the wavefront correction split between two deformable mirrors are investigated. First, a method allowing to select the woofer key parameters such as its diameter, its number of actuators and its required stroke which influenced the overall instrument design is presented. Second, since GPI will use a Fourier reconstructor, we propose to split the command in the Fourier domain and to limit the modes sent to the woofer to the ones it can accurately reproduce. In GPI, this results in replacing two matrices of 1600×69 elements in the case of a classic command split scheme by a single matrix of 45×69 components with the proposed method.

Cette thèse porte sur l’amélioration des techniques d’imagerie à haut-contraste permettant la détection directe de compagnons à de faibles séparations de leur étoile hôte. Plus précisément, elle s’inscrit dans le développement du Gemini Planet Imager (GPI) qui est un instrument de deuxième génération pour les télescopes Gemini. Cette caméra utilisera un spectromètre à champ intégral (SCI) pour caractériser les compagnons détectés et pour réduire le bruit de tavelure limitant leur détection et corrigera la turbulence atmosphérique à un niveau encore jamais atteint en utilisant deux miroirs déformables dans son système d’optique adaptative (OA) : le woofer et le tweeter. Le woofer corrigera les aberrations de basses fréquences spatiales et de grandes amplitudes alors que le tweeter compensera les aberrations de plus hautes fréquences ayant une plus faible amplitude. Dans un premier temps, les performances pouvant être atteintes à l’aide des SCIs présentement en fonction sur les télescopes de 8-10 m sont investiguées en observant le compagnon de l’étoile GQ Lup à l’aide du SCI NIFS et du système OA ALTAIR installés sur le télescope Gemini Nord. La technique de l’imagerie différentielle angulaire (IDA) est utilisée pour atténuer le bruit de tavelure d’un facteur 2 à 6. Les spectres obtenus en bandes JHK ont été utilisés pour contraindre la masse du compagnon par comparaison avec les prédictions des modèles atmosphériques et évolutifs à 8−60 MJup, où MJup représente la masse de Jupiter. Ainsi, il est déterminé qu’il s’agit plus probablement d’une naine brune que d’une planète. Comme les SCIs présentement en fonction sont des caméras polyvalentes pouvant être utilisées pour plusieurs domaines de l’astrophysique, leur conception n’a pas été optimisée pour l’imagerie à haut-contraste. Ainsi, la deuxième étape de cette thèse a consisté à concevoir et tester en laboratoire un prototype de SCI optimisé pour cette tâche. Quatre algorithmes de suppression du bruit de tavelure ont été testés sur les données obtenues : la simple différence, la double différence, la déconvolution spectrale ainsi qu’un nouvel algorithme développé au sein de cette thèse baptisé l’algorithme des spectres jumeaux. Nous trouvons que l’algorithme des spectres jumeaux est le plus performant pour les deux types de compagnons testés : les compagnons méthaniques et non-méthaniques. Le rapport signal-sur-bruit de la détection a été amélioré d’un facteur allant jusqu’à 14 pour un compagnon méthanique et d’un facteur 2 pour un compagnon non-méthanique. Dernièrement, nous nous intéressons à certains problèmes liés à la séparation de la commande entre deux miroirs déformables dans le système OA de GPI. Nous présentons tout d’abord une méthode utilisant des calculs analytiques et des simulations Monte Carlo pour déterminer les paramètres clés du woofer tels que son diamètre, son nombre d’éléments actifs et leur course qui ont ensuite eu des répercussions sur le design général de l’instrument. Ensuite, le système étudié utilisant un reconstructeur de Fourier, nous proposons de séparer la commande entre les deux miroirs dans l’espace de Fourier et de limiter les modes transférés au woofer à ceux qu’il peut précisément reproduire. Dans le contexte de GPI, ceci permet de remplacer deux matrices de 1600×69 éléments nécessaires pour une séparation “classique” de la commande par une seule de 45×69 composantes et ainsi d’utiliser un processeur prêt à être utilisé plutôt qu’une architecture informatique plus complexe. / The main goal of this thesis is the improvement of high-contrast imaging techniques enabling the direct detection of faint companions at small separations from their host star. More precisely, it answers some questions linked to the development of the Gemini Planet Imager (GPI), a second generation instrument for the Gemini telescopes. This instrument will use an integral field spectrometer (IFS) to characterize the detected faint companions and to attenuate the speckle noise limiting their detection. Moreover, it will use a combination of two deformable mirrors, the woofer and the tweeter, in its adaptive optics (AO) system in order to reach the atmospheric turbulence correction sought. The woofer corrects the low spatial frequency high amplitude aberrations while the ones with a high frequency and a low amplitude are compensated by the tweeter. First, the high-contrast imaging performance achieved by current on-line IFS on 8-10 m telescopes are investigated through the observation of the faint companion to the star GQ Lup using the IFS NIFS and the AO system ALTAIR presently in function on the telescope Gemini North. The angular differential imaging (ADI) technique is used to reach an attenuation of the speckle noise by a factor of 2 to 6. The JHK spectra obtained were used to constrain the mass of the companion to 8−60 MJup making it most likely a brown dwarf. MJup represents the mass of Jupiter. Current on-line IFS were conceived to be versatile so that they could be used in many astrophysical fields. Hence, their conception was not optimized for high-contrast imaging. The second part of this thesis objective was to build and test in the laboratory an IFS optimized for this task. Four speckle suppression algorithms were tested on the resulting data: the simple difference, the double difference, the spectral deconvolution and a novel algorithm developed in this thesis dubbed the spectral twin algorithm. We found the spectral twin algorithm to be the most efficient to detect both types of companions tested: methanated and non-methanated. The detection signal-to-noise ratio was improved by a factor up to 14 for the methanated companion and up to 2 for a non-methanated one. In the last part, problems linked to the wavefront correction split between two deformable mirrors are investigated. First, a method allowing to select the woofer key parameters such as its diameter, its number of actuators and its required stroke which influenced the overall instrument design is presented. Second, since GPI will use a Fourier reconstructor, we propose to split the command in the Fourier domain and to limit the modes sent to the woofer to the ones it can accurately reproduce. In GPI, this results in replacing two matrices of 1600×69 elements in the case of a classic command split scheme by a single matrix of 45×69 components with the proposed method.