Electrostatically-induced modal crosstalk phenomena in resonant MEMS sensors

International audienceThe aim of this paper is to introduce an explanation for the amplitude saturation and inhibition phenomena in resonant MEMS pressure sensors, via the electrostatic coupling of two resonance modes. Our analysis and experimental results reveal that these phenomena may be ubiquitous in electrostatic resonant MEMS sensors

Tunable unipolar synchronized electric charge extraction strategy for piezoelectric energy harvesting

International audienceThis article focuses on an intelligent control strategy to improve the performances of shunt-rectifier architectures for vibration energy harvesting. It demonstrates how proper tuning can improve the frequency bandwidth and maximum power of unipolar synchronized electric charge extraction architectures. For resonators with strong enough coupling (k 2 Q. p=2), tuning the duration of charge extraction with the oscillation frequency improves the power harvesting performances. The main differences with other similar solutions such as unipolar synchronized electric charge extraction without tuning strategy or tunable synchronized electric charge extraction are illustrated. In particular, we show how the choice of the shunt rectifier significantly affects the power response of the generator due to electromechanical coupling phenomenon. The analytical study is experimentally validated on a cantilever-based piezoelectric generator

Estudiantes innovadores en la Educación Secundaria: tensiones entre su reconstrucción y resignificación intersubjetiva

El objetivo de este artículo fue interpretar las tensiones entre la reconstrucción y resignificación intersubjetiva de un grupo de estudiantes innovadores, de acuerdo con los principales resultados y la discusión teórica del proyecto de investigación: "Innovaciones educativas del estudiantado de secundaria a partir del capital social y cultural que poseen”, que se desarrolló de enero del 2015 a noviembre del 2015. El trabajo se realizó dentro del enfoque cualitativo y en su fase de campo se aplicó aplicando una entrevista de tipo “historia de vida” a 11 estudiantes de diferentes instituciones de educación secundaria en todo Costa Rica. El análisis de los datos permitió concluir que si bien elementos subjetivos como el empeño, el esfuerzo, la dedicación y la vocación que el estudiante innovador disponga en relación a su actividad dentro de la institución educativa, también el contexto social influye de modo significativo en los anteriores atributos y por ende en la manera como el estudiante afronta las diversas situaciones académicas, sin llegar a determinar por completo la actividad, por lo que se entiende que la innovación es un proceso individual y social a la vez, complejo y matizado por tensiones entre el impacto de las interacciones sociales y las actitudes personales, dentro de escenarios educativos que en ocasiones desestimulan o limitan al estudiantado innovador

Estudiantes innovadores en la Educación Secundaria: tensiones entre su reconstrucción y resignificación intersubjetiva

El objetivo de este artículo fue interpretar las tensiones entre la reconstrucción y resignificación intersubjetiva de un grupo de estudiantes innovadores, de acuerdo con los principales resultados y la discusión teórica del proyecto de investigación: "Innovaciones educativas del estudiantado de secundaria a partir del capital social y cultural que poseen”, que se desarrolló de enero del 2015 a noviembre del 2015. El trabajo se realizó dentro del enfoque cualitativo y en su fase de campo se aplicó aplicando una entrevista de tipo “historia de vida” a 11 estudiantes de diferentes instituciones de educación secundaria en todo Costa Rica. El análisis de los datos permitió concluir que si bien elementos subjetivos como el empeño, el esfuerzo, la dedicación y la vocación que el estudiante innovador disponga en relación a su actividad dentro de la institución educativa, también el contexto social influye de modo significativo en los anteriores atributos y por ende en la manera como el estudiante afronta las diversas situaciones académicas, sin llegar a determinar por completo la actividad, por lo que se entiende que la innovación es un proceso individual y social a la vez, complejo y matizado por tensiones entre el impacto de las interacciones sociales y las actitudes personales, dentro de escenarios educativos que en ocasiones desestimulan o limitan al estudiantado innovador

Modeling of nonlinear phenomena in a resonant MEMS sensor for performance and reliability optimization

L’utilisation des technologies MEMS dans la navigation aéronautique présente deux difficultés majeures.D’une part, le bon fonctionnement des appareils de mesure de l’aviation civile requiert l’anticipation des défaillances susceptibles de se produire durant des décennies. D’autre part, le remplacement des capteurs macroscopiques traditionnels par des cellules MEMS ne peut se faire qu’à niveau de performances équivalent. Vis-à-vis de ces deux enjeux de fiabilité et de performance, le comportement fortement non-linéaire des résonateurs MEMS est souvent considéré comme un frein voire une limite infranchissable aux progrès technologiques.Cependant, l’exploitation de ces phénomènes non-linéaires constitue en réalité une source extrêmement riche d’améliorations. Au prix d’une complexité mathématique accrue et d’efforts de conception spécifiques, la modélisation précise des phénomènes non-linéaires affectant le comportement des MEMS donne accès à des informations précieuses, aussi bien pour la détection de défaillances que pour l’amélioration des performances.Dans cette thèse, on développe une procédure de caractérisation linéaire et non-linéaire de cellules MEMS résonantes. Après avoir démontré l’intérêt et vérifié expérimentalement la précision d’une telle caractérisation, on montre comment la connaissance des caractéristiques non-linéaires permet de déterminer des points de fonctionnement optimaux en termes de stabilité fréquentielle des capteurs oscillants, et donc de précision et de justesse des mesures.The use of MEMS technologies in navigation measurements faces two main challenges.On the one hand, reliability improvement requires a deep understanding of MEMS failure mechanisms. These components are meant for long-term use and are subject to harsh mechanical and thermal constraints during their expected lifetime, usually longer than a decade. On the other hand, the replacement of macroscopic navigation sensors by MEMS components remains impossible as long as the performances of MEMS sensors do not match those of their macroscopic equivalents. With respect to these two challenges, the nonlinear behavior of MEMS resonators is usually seen as an obstacle, if not an insurmountable barrier to technological progress.However, nonlinear phenomena are actually a rich source of potential improvements. At the cost of increased mathematical complexity and specific design efforts, a precise model of MEMS nonlinear behaviors gives access to valuable information about the internal structure of the device. This information may then be used for failure detection and performance optimization.In this thesis, a linear and nonlinear characterization method is developed and experimentally-demonstrated. The knowledge of such nonlinear characteristics allows the determination of optimal operating points in terms of frequency stability and, hence, measurement accuracy

Modélisation des phénomènes non-linéaires dans un capteur MEMS résonant pour l'optimisation de ses performances et de sa fiabilité

The use of MEMS technologies in navigation measurements faces two main challenges.On the one hand, reliability improvement requires a deep understanding of MEMS failure mechanisms. These components are meant for long-term use and are subject to harsh mechanical and thermal constraints during their expected lifetime, usually longer than a decade. On the other hand, the replacement of macroscopic navigation sensors by MEMS components remains impossible as long as the performances of MEMS sensors do not match those of their macroscopic equivalents. With respect to these two challenges, the nonlinear behavior of MEMS resonators is usually seen as an obstacle, if not an insurmountable barrier to technological progress.However, nonlinear phenomena are actually a rich source of potential improvements. At the cost of increased mathematical complexity and specific design efforts, a precise model of MEMS nonlinear behaviors gives access to valuable information about the internal structure of the device. This information may then be used for failure detection and performance optimization.In this thesis, a linear and nonlinear characterization method is developed and experimentally-demonstrated. The knowledge of such nonlinear characteristics allows the determination of optimal operating points in terms of frequency stability and, hence, measurement accuracy.L’utilisation des technologies MEMS dans la navigation aéronautique présente deux difficultés majeures.D’une part, le bon fonctionnement des appareils de mesure de l’aviation civile requiert l’anticipation des défaillances susceptibles de se produire durant des décennies. D’autre part, le remplacement des capteurs macroscopiques traditionnels par des cellules MEMS ne peut se faire qu’à niveau de performances équivalent. Vis-à-vis de ces deux enjeux de fiabilité et de performance, le comportement fortement non-linéaire des résonateurs MEMS est souvent considéré comme un frein voire une limite infranchissable aux progrès technologiques.Cependant, l’exploitation de ces phénomènes non-linéaires constitue en réalité une source extrêmement riche d’améliorations. Au prix d’une complexité mathématique accrue et d’efforts de conception spécifiques, la modélisation précise des phénomènes non-linéaires affectant le comportement des MEMS donne accès à des informations précieuses, aussi bien pour la détection de défaillances que pour l’amélioration des performances.Dans cette thèse, on développe une procédure de caractérisation linéaire et non-linéaire de cellules MEMS résonantes. Après avoir démontré l’intérêt et vérifié expérimentalement la précision d’une telle caractérisation, on montre comment la connaissance des caractéristiques non-linéaires permet de déterminer des points de fonctionnement optimaux en termes de stabilité fréquentielle des capteurs oscillants, et donc de précision et de justesse des mesures

Impact of excitation waveform on the frequency stability of electrostatically-actuated micro-electromechanical oscillators

International audienceIn this paper, the frequency stability of high-Q electrostatically-actuated MEMS oscillators with cubic restoring forces, and its relation with the amplitude, the phase and the shape of the excitation waveform, is studied. The influence on close-to-the carrier frequency noise of additive processes (such as thermomechanical noise) or parametric processes (bias voltage fluctuations, feedback phase fluctuations, feedback level fluctuations) is taken into account. It is shown that the optimal operating conditions of electrostatically-actuated MEMS oscillators are highly waveform-dependent, a factor that is largely overlooked in the existing literature. This simulation-based study covers the cases of harmonic and pulsed excitation of a parallel-plate capacitive MEMS resonator

Noise evasion properties of electrostatic gap-closing MEMS resonators with pulsed excitation waveforms

International audienceThe limits on MEMS resonant sensor performance set by nonlinearity are often studied through a model of a Duffing resonator, with linear actuation. This model largely fails to capture the properties of MEMS resonant sensors with electrostatic gap-closing actuation. We have shown that a specific feature of such ubiquitous resonators is that their stability is strongly sensitive to the waveform used to drive them to resonance. In this paper, we conduct an analytical investigation of these phenomena and validate our theoretical results transient simulations