La localisation précise d’un train sur la voie ferrée est une information vitale pour la gestion du trafic et la sécurité des passagers. Le système européen de contrôle des trains (ETCS) embarque ainsi un accéléromètre mono axe mesurant l’accélération longitudinale du train. Ce capteur est l’un des nombreux capteurs présents à bord permettant une odométrie précise. Cependant, sa mesure est faussée par la projection de la gravité sur l’axe sensible en fonction de l’inclinaison de la voie. L’objectif de ce mémoire est donc d’augmenter l’intérêt de ce capteur en développant une solution basée sur une centrale inertielle complète dans le but de fournir une accélération longitudinale fiable. Pour cela, un estimateur d’état a été développé à partir d’un filtre de Kalman étendu et de la prise en compte de contraintes sur le vecteur d’état. L’utilisation d’une équation de réactualisation du gain de Kalman force ainsi l’estimation d’état à évoluer dans un espace contraint. De plus, le vecteur d’observation du système a été augmenté par les informations fournies par un estimateur de vitesse et un estimateur d’attitude du train. L’estimateur de vitesse utilise une analyse fréquentielle des mesures accélérométriques et l’estimateur d’attitude exploite la complémentarité fréquentielle des mesures gyrométriques et accélérométriques pour estimer les angles de roulis et de tangage. Ces informations sont ensuite fusionnées avec les mesures de la centrale. Enfin, des expérimentations ont été réalisées en Turquie dans un train et les performances de l’estimateur ont été validées en comparant les résultats obtenus aux données fournies par une centrale de navigation haut de gamme. / The precise location of a train on the rail network is vital information for traffic management and passenger safety. The European Train Control System (ETCS) features a single-axis accelerometer which measures the longitudinal acceleration of the train. This sensor is one of many sensors onboard providing a precise odometry. However, its measurement is corrupted by the projection of the gravity on the sensitive axis as a function of the inclination of the track. The purpose of this work is to increase the value of this sensor by developing a solution based on a complete inertial system in order to provide a reliable longitudinal acceleration. For this, a state estimator was developed based on an extended Kalman filter and the consideration of constraints on the state vector. The use of updating equation of the Kalman gain forces the state estimation to evolve in a constrained space. In addition, the observation vector has been increased with the information provided by a velocity estimator and a train attitude estimator. The velocity estimator uses a frequency analysis of the accelerometer measurements and the attitude estimator operates the frequency complementarity of gyro and accelerometer measurements, to estimate the roll and pitch angles. This information is then merged with the measurements of the IMU. Finally, experiments were carried out in Turkey on a train and the estimator's performance was validated by comparing the results with data from a high-performance inertial navigation system.

Cette thèse a été effectuée dans un contexte industriel de forte concurrence en lien avec les capteurs miniatures en silicium, destinés au gigantesque marché dit "consumer", dont l'application phare est le "Smartphone", pour laquelle les fonctionnalités accrues engendrent un besoin en matière de multi-capteurs inertiels dits 10-axes (accéléromètre 3-axes, magnétomètre 3-axes, gyromètre 3-axes et capteur de pression). Tout comme les circuits intégrés, les contraintes de coût de tels capteurs se traduisent par une exigence en termes de densité d'intégration. La technologie M&NEMS (Micro- & Nano- Electro Mechanical Systems) a été développée pour répondre à cette attente. Elle repose sur l'intégration de jauges de contraintes de dimensions nanométriques (~250 nm) avec des structures électromécaniques micrométriques, ce qui prodigue une compacité hors-pair des capteurs, ouvrant la voie à la co-intégration de multi-capteurs sur la même puce de silicium. Toutefois, la nature différente des grandeurs physiques à mesurer impose des contraintes supplémentaires, parfois opposées, ce qui rend leur co-intégration difficile. Partant de ce constat, nous avons exploré et développé, des solutions devant permettre le fonctionnement sous une même pression environnante, d'accéléromètres et de gyromètres à force de Coriolis. Cette problématique de co-intégration, s'étend au-delà du couple accéléromètre-gyromètre. Des questions inhérentes au capteur de pression ainsi qu'aux 3 axes de mesure d'un accéléromètre, sont également traitées dans cette thèse / This thesis was carried out in an industrial context of strong competition in connection with miniature silicon sensors for the huge so-called “consumer” market, where the “Smartphone” is the killer application; its increasing functionality creates a need for the so-called ‘10-axis' inertial multi-sensors (3-axis accelerometer, 3-axis magnetometer, 3-axis gyro sensor and pressure). Similarly to integrated circuits, cost constraints on such sensors translate into a requirement in terms of integration density. The M & NEMS (Micro- & Nano- Electro-Mechanical-Systems) technology has been developed to meet this expectation. It is based on the integration of nanoscale (~ 250 nm) strain gauges together with micrometric electromechanical structures, which ensure unrivaled compactness, paving the way for the co-integration of multiple inertial sensors on the same silicon chip. However, the different nature of the physical quantities to be measured imposes additional constraints, sometimes conflicting, which leads to a difficult co-integration. Based on this observation, we have explored and developed solutions to allow operation under the same ambient pressure, of accelerometers together with Coriolis force based gyroscopes. This issue of co-integration extends beyond the accelerometer-gyroscope couple. Issues inherent to the pressure sensor and to the 3-axis accelerometer measurements, are also addressed in this thesis

Un important effort de recherche est nécessaire pour assurer la maîtrise du vol en espace restreint de drones miniatures. Cette recherche s’appuie sur une nouvelle génération de capteurs inertiels, les capteurs vibrants, qui offrent par leur principe et leur technologie de réalisation associée, des perspectives tout à fait intéressantes en terme de miniaturisation / performance / coût. Dans ce travail de thèse, nous avons notamment étudié la relation entre la performance et les dimensions de micro-accéléromètres vibrants en silicium. Pour cela, nous avons établi les limites de ce type de capteur en fonction de la taille du résonateur. En particulier, le facteur de qualité est apparu comme un paramètre déterminant et une étude expérimentale a été réalisée afin de valider les modèles théoriques. De nombreux résultats expérimentaux nous ont permis de dresser une estimation des performances attendues. Enfin, une première architecture d’accéléromètre vibrant en silicium est détaillée / A major research effort is necessary to ensure flight control for miniaturized UAV. This research is based on a new generation of inertial sensors, the vibrating sensors, which offer because of their principle and their associated technology achievement, interesting prospects in terms of miniaturization / performance / cost. The focus of this research was to study the relationship between performance and size of silicon vibrating accelerometers.We have established the boundaries of this type of sensor based on the size of the resonator. In particular, the quality factor has emerged as a determining factor and an experimental study was conducted to validate the theoretical models. Thus, many experimental results have enabled us to estimate the expected performances. Finally, a first architecture of silicon vibrating accelerometer is presented

Les techniques actuelles de mesure de pesanteur terrestre, depuis les observations spatiales jusqu'aux mesures ponctuelles en surface, couvrent un large spectre de longueurs d'onde du champ de gravité de la Terre. Ces données acquises permettent non seulement la réalisation de modèles étendus de géoïde, mais aussi une meilleure compréhension des transferts de masse affectant la Terre.<br />Cependant, les couvertures spatiale et spectrale des mesures gravimétriques ne sont pas homogène à la surface de la Terre et certaines régions difficiles d'accès sont quasiment vierges de toute mesure. De plus, la gamme des longueurs d'onde intermédiaires (10/100 km) est mal couverte par la gravimétrie terrestre ou spatiale. La gravimétrie mobile depuis un véhicule terrestre, un bateau ou un avion apparaît donc comme la technique complémentaire capable de pallier les insuffisances des techniques gravimétriques actuelles.<br />C'est dans l'objectif de développer un système de gravimétrie mobile autonome que ce travail a été entrepris. Le système «Limo-G» (LIght MOving Gravimetry system) est un gravimètre vectoriel absolu, composé de trois accéléromètres et d'un système GPS à quatre antennes, embarquable dans toutes sortes de véhicule, fiable, ergonomique et peu onéreux.<br />Un travail métrologique effectué au laboratoire et sur le terrain a permis de concevoir et de tester une méthode d'étalonnage de l'instrument. Puis, une méthode originale de traitement conjoint des données accélérométriques et des données GPS a été développée et testée à partir de simulations issues de données réelles acquises lors d'un levé expérimental en mer. Les résultats de ces simulations indiquent que les performances du système Limo-G permettent de mesurer la pesanteur au milligal. Les améliorations nécessaires pour accroître la précision ont aussi été mises en évidence et validées par simulation.

L'association de la microélectronique sur silicium avec la technologie de micro-usinage a rendu possible la réalisation de systèmes sur puces complets. La technologie des MEMS permet le développement de composants intelligents ; elle ajoute à la capacité de calcul de la microélectronique, l'aptitude de percevoir et de contrôler des micro-capteurs et des micro-actuateurs. Le marché des accéléromètres est l'un des domaines des microsystèmes en pleine expansion. On trouve les accéléromètres principalement dans l'automobile, mais ils sont également utilisés dans de nombreux domaines publics et industriels. L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est la conception et la modélisation d'accéléromètres avec une technologie à faible coût : la technologie CMOS-FSBM.<br />Deux types de transductions compatibles avec cette technologie ont été retenus pour nos capteurs, la détection piézorésistive et la détection thermique. Une structure simple pour la transduction piézorésistive a été proposée. Elle permet la détection de l'accélération verticale. Un modèle a été proposé pour ce type d'accéléromètre à détection piézorésistive. Ce modèle est vérifié d'une part par des simulations par éléments finis et enfin par les résultats expérimentaux d'un premier prototype.<br />Le principe de la transduction thermique est basé sur le transfert de chaleur par convection. Cette transduction permet, elle, la mesure de l'accélération latérale. L'approche de modélisation a été de dégager des règles simples de conception pour ce type d'accéléromètre. Cette modélisation s'appuie, ici aussi, sur des simulations par éléments finis et sur les résultats expérimentaux d'un prototype.<br />L'étude préliminaire d'un accéléromètre trois-axes a enfin été abordée. Une première structure entièrement piézorésistive a été évaluée. Une seconde solution combinant les deux types de transductions piézorésistive et thermique a été proposée.

L'objectif de cette thèse est de réaliser un capteur inertiel à partir d'un substrat SOI utilisé pour le nœud technologique CMOS 130 nm. L'objectif à long terme, afin de pouvoir adresser des applications grand public, est de fabriquer ce capteur comme une partie d'un circuit en utilisant un procédé de co-intégration NEMS « in IC ». Pour réaliser le démonstrateur accélérométrique, nous répondons aux questions relatives à la conception, la fabrication, la caractérisation et aux phénomènes physiques prépondérants à cette échelle. Nous donnons tout d'abord une vue d'ensemble des NEMS et des MEMS en nous basant sur un état de l'art. Celui-ci nous permet d'entreprendre la réduction d'échelle et de choisir un démonstrateur, un accéléromètre résonant, qui nous sert de cas d'étude pour ces travaux. Nous étudions plus en détail, de façon théorique aussi bien qu'expérimentale, le comportement de ces nano-structures. Une des principales difficultés est de caractériser le composant lui-même. A partir d'une étude théorique, nous choisissons le mode de détection capacitif et en montrons sa faisabilité. Nous réalisons en parallèle la conception de la partie mécanique du nano-système et la définition du procédé de co-intégration. Grâce à l'analyse des résultats, nous pouvons présenter quelques perspectives et des axes de travaux à poursuivre pour une meilleure compréhension au niveau de la conception, de la fabrication et de la caractérisation du NEMS. Ces travaux nous permettent de discuter la faisabilité d'un nano-accéléromètre en vue d'une application grand public, avec le choix du procédé de fabrication basé sur le noeud technologique SOI 130 nm. Ces perspectives ont pour objectifs de permettre la réduction des encombrements et la combinaison des performances du NEMS et du circuit afin de faciliter la réalisation de capteurs pour des applications grand public.

Un important effort de recherche est nécessaire pour assurer la maîtrise du vol en espace restreint de drones miniatures. Cette recherche s'appuie sur une nouvelle génération de capteurs inertiels, les capteurs vibrants, qui offrent par leur principe et leur technologie de réalisation associée, des perspectives tout à fait intéressantes en terme de miniaturisation / performance / coût. Dans ce travail de thèse, nous avons notamment étudié la relation entre la performance et les dimensions de micro-accéléromètres vibrants en silicium. Pour cela, nous avons établi les limites de ce type de capteur en fonction de la taille du résonateur. En particulier, le facteur de qualité est apparu comme un paramètre déterminant et une étude expérimentale a été réalisée afin de valider les modèles théoriques. De nombreux résultats expérimentaux nous ont permis de dresser une estimation des performances attendues. Enfin, une première architecture d'accéléromètre vibrant en silicium est détaillée

Dans ce travail de thèse, nous nous sommes consacrés au développement d’un système robotique permettant de reproduire en laboratoire l’ensemble des perturbations subies par un sujet humain dans un transport en commun afin d’analyser et de comprendre le mécanisme de son équilibre postural. La reproduction en laboratoire des perturbations nécessitent la conception d’une plateforme dynamique non contrainte dans son déplacement. L’analyse de l’équilibre humain nécessite également le développement d’un modèle du pendule inversé de l’homme afin de définir des indices quantitatifs d’équilibre et de procéder à des analyses statistiques et comparatives. Grâce aux objectifs fixés par ce travail de recherche, nous avons réalisé une plateforme mobile omnidirectionnelle compacte pouvant supporter un sujet pesant 120kg. Cette plateforme confère au sujet placé dessus une meilleure perception de confort et de sécurité. Ses performances en termes de poursuite de trajectoire et de commande des accélérations ont été effectuées et évaluées. Ces performances sont très satisfaisantes par rapport aux expérimentations menées dans le métro puisque les accélérations réalisées sont supérieures aux valeurs exigées par ce moyen de transport. Ainsi, la plateforme est capable de reproduire une perturbation compatible avec le métro. Nous avons proposé deux méthodes d’analyse basées sur des accéléromètres triaxiaux connectés et synchronisés à la plateforme pour l’évaluation des paramètres de couple et de position articulaires de la cheville, du genou et de la hanche du sujet. Les résultats obtenus sont comparables à ceux obtenus par un système plus couteux de capture de mouvement avec logiciel biomécanique. De nouveaux indices d’équilibre ont été proposés à partir des paramètres biomécaniques de 22 sujets. Ces indices peuvent être exploités par les thérapeutes pour analyser et prévoir la capacité de maintien de l’équilibre d’un passager dans le métro ou plus généralement dans les transports en commun. / In this thesis, we achieved the development of a robotic system to reproduce in laboratory all the disturbances undergone by a human subject in public transport in order to make an analysis of postural balance. Reproductive simulated disturbances in laboratory require developing a dynamic platform unconstrained in its movement. Analysis of postural balance also requires the development of an inverted pendulum model to define quantitative indices of stability and to make comparative and statistical analysis. According the objectives of this research work, we realized a compact omnidirectional mobile platform capable of supporting a weight of about 120kg. This platform gives the subject placed on it a better perception of comfort and safety. Its performances in terms of trajectory tracking and acceleration control are carried out and evaluated. These performances are very satisfactory compared to experiments in the subway since the produced accelerations are higher than the values required by this means of transport. Thus, the platform is able to reproduce the perturbation compatible with the subway. We proposed two methods of analysis based on triaxial accelerometers connected and synchronized platform for evaluating torque and joint position of the ankle, knee and hip of the subject. The results obtained are comparable to those obtained by more expensive motion capture system with biomechanical software. New postural balance indices have been proposed from the biomechanical parameters of 22 subjects. These indices can be used by therapists to analyze and predict the ability of maintaining the balance of a passenger in the subway or more generally in public transport.

Le test et la calibration des MEMS sont des enjeux complexes à cause de leur nature multi-domaines. Ils nécessitent l'application de stimuli physiques, en utilisant des équipements de test coûteux, afin de tester et de calibrer leurs spécifications. L'objectif de cette thèse est de développer des méthodes alternatives et purement électriques pour tester et calibrer un accéléromètre MEMS convectif. Premièrement, un modèle comportemental du capteur est développé et validé en se basant sur des simulations FEM. Il inclut l'influence de tous les paramètres géométriques sur la sensibilité du capteur. Deuxièmement, le modèle est utilisé pour simuler des fautes dans le but d'identifier la corrélation qui peut exister entre la sensibilité du capteur à l'accélération et certains paramètres électriques. Troisièmement, cette corrélation est exploitée pour développer des méthodes de test et de calibration alternatives où la sensibilité est estimée en effectuant uniquement des mesures électriques et sans appliquer de stimuli physiques (accélérations). L'efficacité de ces méthodes est ainsi démontrée. Finalement, deux architectures permettant l'auto-test et l'auto-calibration sur puce sont proposées. / MEMS test and calibration are challenging issues due to the multi-domain nature of MEMS devices. They therefore require the application of physical stimuli, using expensive test equipments, to test and to calibrate their specifications. The main objective of this thesis is to develop alternative electrical-only test and calibration procedures for MEMS convective accelerometers.First, a behavioral model that includes the influence of sensor geometrical parameters on sensitivity is developed and validated with respect to FEM simulations. Second, the model is used to perform fault simulations and to identify correlation that may exist between device sensitivity to acceleration and some electrical parameters. Third, this correlation is exploited to develop alternative test and calibration methods where the sensitivity is estimated using only electrical measurements and without applying any physical stimulus (acceleration). The efficiency of these methods is demonstrated. Finally, two architectures that allow on-chip test and calibration are proposed.

Les capteurs de type MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sont des microsystèmes mettant en œuvre différents domaines de la physique (électronique, mécanique, chimie, optique,...) et permettant de mesurer différentes grandeurs physiques (accélération, pression, température...). Parmi ces micro-capteurs, les MEMS vibrants se caractérisent par leur structure présentant un micro-résonateur mis en vibration à sa fréquence de résonance et la variation de cette fréquence est représentative du mesurande. Cette thèse s'intéresse principalement à analyser et identifier les limites de résolution fréquentielle de ces capteurs vibrants en effectuant une modélisation multiphysique. Dans un premier temps, nous avons modélisé le comportement multiphysique d'un capteur MEMS vibrant en détaillant trois types de transduction (piézoélectrique, électrostatique et optique). La seconde partie a permis de valider les équations développées en se basant sur les simulations sous Cadence (langage multiphysque Verilog-A) et en les validant par des mesures expérimentales. La dernière partie traite de l'optimisation d'un micro-accéléromètre de type VIA (Vibrating Inertial Accelerometer) et l'étude de l'annulation des non linéarités permettant d'améliorer la résolution d'un capteur MEMS vibrant / MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensors are micro-systems implementing various fields of physics (electronical, mechanical, chemical, optical, ...) and measuring various physical quantities (acceleration, pressure, temperature ...). The vibrating MEMS are characterized by a micro-resonator vibrating at its resonant frequency. The frequency variation is proportional to the measurand. This thesis is concerned with analyzing and identifying the frequency resolution limits of these vibrating sensors by performing multiphysics modeling. The first step is to model the multiphysics behavior of a vibrating MEMS sensor with three transduction types (piezoelectrical, electrostatical and optical). Secondly, the equations developed are validated, based on simulations with Cadence (multiphysique language Verilog-A) and their comparaison with experimental measurements. The last section presents the micro-accelerometer VIA (Vibrating Inertial Accelerometer) optimization and the nonlinearities cancellation study for improving the resolution of vibrating MEMS sensor