Thèse de Doctorat

Contexte du Projet :

La gravité, bien que fondamentale, reste la force la moins comprise aux échelles micrométriques. Alors que la loi en 1/r² est validée pour des masses de quelques milligrammes, le monde du microgramme demeure une frontière inexplorée de la physique. Ce projet vise à franchir cette limite en développant un dispositif capable de réaliser la première mesure directe de l'attraction gravitationnelle générée par une source de moins d'un milligramme.

Objectif Scientifique :

L'objectif principal est de concevoir et réaliser un banc expérimental pour détecter l'infime accélération (~1 nano-g) produite par une micro-source sur un capteur MEMS ultra-sensible. Une telle mesure permettrait de tester la validité de la loi de la gravitation à une nouvelle échelle et d'établir de nouvelles contraintes sur d'éventuelles déviations, comme celles prédites par les théories de type Yukawa.

Approche Technologique et Méthodologie :

Pour atteindre cette sensibilité extrême, mon travail s'articule autour de la convergence de plusieurs technologies de pointe :

• Capteurs MEMS sur-mesure : J'utilise un capteur capacitif différentiel dont le design a été optimisé pour une raideur minimale et une sensibilité maximale. La fabrication de ce capteur a nécessité de repousser les limites des procédés de gravure profonde du silicium, avec des entrefers submicrométriques à un rapport d'aspect d'environ 41 pour 1 — le plus fin recensé pour un capteur capacitif fonctionnel comparable dans la littérature.
• Environnement Contrôlé : La mesure est réalisée sous vide moyen (de l'ordre du millibar, suffisant pour atteindre le facteur de qualité mécanique visé) pour réduire l'amortissement visqueux, et sur un système d'isolation sismique multi-étages destiné à limiter les vibrations transmises au résonateur.
• Détection Synchrone : Une technique de démodulation synchrone (lock-in) est employée pour extraire le signal gravitationnel du bruit de fond, en faisant osciller la masse source à une fréquence précise.

Mes Contributions Clés :

• Micro et Nanofabrication Avancée : J'ai contribué à la mise au point du protocole complet de fabrication du capteur MEMS.
• Électronique Faible Bruit : J'ai intégré une chaîne d'acquisition complète, de la source de tension ultra-stable à l'analyse fréquentielle, atteignant un plancher de bruit inférieur au bruit thermique intrinsèque du capteur.
• Traitement du Signal : J'ai développé un algorithme d'analyse fréquentielle "on-the-fly" capable de gérer des semaines d'acquisition de données à 1 kHz sans saturation de la mémoire.

Impact et Portée :

Ce projet se situe à la frontière entre la physique fondamentale et l'ingénierie de pointe. Au-delà de son intérêt pour la physique, il ouvre la voie à une nouvelle génération de capteurs inertiels et de gravimètres d'une sensibilité sans précédent, avec des applications potentielles en géophysique, en navigation inertielle et en métrologie de précision.

Projets associés :

• Électronique de lecture bas-bruit pour capteur MEMS
• Conception d'une chambre à vide pour capteur MEMS
• Conception et microfabrication d'un capteur MEMS
• Électronique de l'étage source pour capteur MEMS