Design and characterization of a MEMS-based rotation sensor for seismic exploration

Lors de la prospection sismique, un réseau de capteurs, utilisant principalement des géophones, est déployé à la surface libre afin d'enregistrer les ondes sismiques provenant du sous-sol. Cependant, l'énergie captée par ces géophones est largement dominée par les ondes de surface ou ondes de Rayleigh produites par la source. Étant donné leur nature, ces ondes de surface ne contiennent aucune information sur la composition des couches géologiques profondes. De ce fait, il est nécessaire d'employer un réseau très fin de capteurs dans le but de caractériser précisément ces composantes puis de les filtrer par des techniques de traitement du signal. Toutefois, les coûts engendrés nécessitent de nouvelles méthodes d'acquisition des ondes sismiques, employant moins de capteurs et permettant d'élargir le pas du réseau. Une telle technique a été mise en évidence, moyennant une mesure précise des rotations de la surface libre. La piste explorée dans ce manuscrit est l'utilisation d'un capteur MEMS haute performance pour mesurer les rotations de la surface libre, avec un coût, un poids et une consommation électrique minimaux. Plus particulièrement, le choix s'est porté sur la réalisation d'un accéléromètre angulaire, mesurant la rotation d'entrainement de son référentiel. La conception du capteur MEMS proposé utilise une technique de mesure différentielle de capacités et un contrôle en boucle fermée reposant sur la modulation ΣΔ. Un important travail de modélisation et de simulation a permis la fabrication de plusieurs prototypes qui ont ensuite été caractérisés. Une résolution fondamentale de 3 mrad.s-2 RMS dans une bande de fréquences comprises entre 60 Hz et 200 Hz a ainsi été obtenue. Les performances mesurées surpassent de loin celles d'autres accéléromètres angulaires de la littérature. Finalement, des analyses comparatives avec d'autres instruments de mesure ont permis de conclure sur la faisabilité de notre solution pour la prospection sismique. In seismic exploration, most of the signal acquired by point-receiver geophones is dominated by surface waves or ground rolls. Because they propagate in the near surface, ground rolls do not contain any information on deeper targets. Thus, short spacing between receivers is required so that this noise component can be accurately characterized and removed by digital filtering. However, considering the cost of seismic exploration ventures, new acquisition techniques using fewer point receivers and larger spacing have t