CAPTEURS ET SYSTÈMES DE MESURE DANS LES MATÉRIAUX

19 NOVEMBRE 2014

Jean-Benoît Pierrot, CEA région

� prénom.nom@cea.fr

Matinée thématique

INTRODUCTION

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Matériaux souples

Capteurs et systèmes de capteurs intégrés aux matériaux

Boites à outils et exemples d’applications

DEFINITION : CAPTEUR & SYSTÈME DE MESURE

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Security certification

Trusted computingLow power security protocols

Full Gaz analysissolution

Extract valuable information:Kalman filters, bayesian algorithms

Short range high speed communication

Sensors systems , (i.e. Morphosense)

Physical MEMS sensors

Long range medium speed communication, high autonomy

Energy harvesting solutions (solar,

vibration, heat, …)

Master the calibration and drift issues -

Specific embedded algorithms

Le Systèmede Mesure

Phased Array UTReal time processing

Data reduction and decision-making

Modeling for optimizationand interpretation

Acoustic solutions

Electromagneticsensor

Fiber opticsSensors

ASIC for wire diagnosis

Objectif : Système de mesure monolithique ou fragmentéQuel nœud élémentaire ?

Capteurs – mesures directes ou indirectesCommunication - filaire ou sans filEnergie – Filaire, batterie, récupération d’énergie (autonomie)Traitement du signal/de l’information - Analyse des données en localPackaging – adapté (résiste aux contraintes, assure interface avec environnement à mesurer, …).

DEFINITION : CAPTEUR & SYSTÈME DE MESURE

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Environnement

CapteursActuateurs

…

TraitementInformationProcesseur

Mémoire…

CommunicationTransceivers

Antennes …

EnergieStockage

Récupération…

Packaging

noeud

noeud

noeud

noeud

EXEMPLES ET OUTILS

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Axe -c

2µm

Syst��e de œuds capteurs

Texti�e

E�ectr�ique

s�up�e

�a�fi�s

pie��Quoi .. Comment .. Application

APPLICATION TUYAU

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Application : Maintenance de canalisations enfouies. Localisation.

ProblématiquesCommunication et transfert énergétique possible à travers le sol (taux humidité élevé, hétérogénéité…)Nœud élémentaire� Traitement/Communication : Intégration puce RFID dans matériau et durée de vie� Capteur (localisation)/Communication : Une antenne sur support souple (adapté à la

courbure du tuyau)� Packaging : intégré dans le process de fabrication du tuyau

APPLICATION DE MESURE DE DÉFORMATION

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Application générique : Mesure de déformation d’une structure et sur différent type d’échelle (petit, moyen, grand) … temps réel

PropriétésCapacité de restitution des courbures 2D / surfaces 3DPrécision à 10-3 sur le rayon de courbure (1mm pour Rc=1m)

Linéaire

Surfacique

APPLICATION DÉFORMATION - RISER

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ProblématiquesNœud� Capteurs : accéléromètres/magnétomètres MEMS� Communication/Energie : filaire (noyé dans gaine)� Packaging : collage/sertissage (futur=intégré)Réseau de capteurs répartis / immergésSystème centralisé – Traitement information� Mesure de la courbure, restitution de la forme…

LE TEXTILE

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Objectif : Intégration d’électronique dans le textileQuelles fonctions (dont capteurs) & applicationsRFID: traçabilité, anti-vol, anti-contrefaçon.

RFID-UHF (868-953 MHz): portée de lecture de 5-10 m.

LE TEXTILE

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Objectif : Intégration d’électronique dans le textileQuelles fonctions (dont capteurs) & applicationsRFID: traçabilité, anti-vol, anti-contrefaçon.

RFID-UHF (868-953 MHz): portée de lecture de 5-10 m.

Capteurs: Mesure de l’activité physique et de paramètres physiologiques.Applications en santé, bien-être, sports, loisirs, professionnel (surveillance en environnement dangereux).IHM: applications professionnelles, jeux.

Thalmic Labs Inc.

LE TEXTILE

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Objectif : Intégration d’électronique dans le textileQuelles fonctions (dont capteurs) & applicationsRFID: traçabilité, anti-vol, anti-contrefaçon.

RFID-UHF (868-953 MHz): portée de lecture de 5-10 m.

Capteurs: Mesure de l’activité physique et de paramètres physiologiques.Applications en santé, bien-être, sports, loisirs, professionnel (surveillance en environnement dangereux).IHM: applications professionnelles, jeux.

LED: affichagesDécoration.

CONNECTIQUE ET COMMUNICATION

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Integration de conducteurs et d’antennes dans le texti le.

“Etiquettes” cousuesFeuilles métalliques

E-fiber – Ohio State Univ.

Fibre métalliséeFil métallique

Verrou : connectique et packaging de l’électronique

Etat de l’art industriel

COMMENT

Technologie E-Thread (Diabolo)

Caractéristiques: � Connexion directe fil-circuit.� Connexion électrique et mécanique robuste� Protection du circuit par un capot verre ou silicium

Avantages:� Dimensions minimales (~dimensions du circuit)� Structure quasi monodimensionnelle

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CapotFil

Circuit

COMMENT

Procédé

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� Wafer Capot

� Wafer Actif

� Fils

� Rainurage

� Assemblage

� Insertion

Composants: Etapes:

� Dépot de Colle

COMMENT

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Wafer Capot

Wafer Actif

Etape 1 : assemblage

diabolo

Fibre porteuse, Enrobage

Etape 3 : Condition-

nementEtape 2 : Connection

Bobine de Diabolo Connectés Bobine de Diabolo DédiésWafer de pucesDiabolo scié

Fils Conducteurs

POUR ALLER JUSQU’AU TISSU-SYSTÈME

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L’ELECTRONIQUE FLEXIBLE IMPRIMÉE

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Utilisation de matériaux organiques ayant des performances électriques, électroniques, optoélectroniques pour réaliser des composants électroniques

Change radicalement le modèle de l’électronique classique SiChimie organique � ingénierie des performances des matériauxFormulation d’encre � développement de procédé en voie liquideProcédés d’Impression à faible budget thermique

� substrats flexibles de grande dimension plastique, papier� Nouveaux acteurs industriels : imprimeur, plasturgiste, papetier , textile

LE PORTFOLIO DES COMPOSANTS DEVELOPPÉS

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Capteurs et matrices de capteurs Température Piézo Pyro Photodiode

Fonctions logiques� R,L C filtre RF Circuit logique (transistors) Mémoire ferroélectrique

AfficheursOLED par voie d’impression Energie

Batteries Organic Photovoltaics OPV

SYSTÈMES SUR FEUILLE

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Intégration Hybride de plusieurs fonctions sur FlexLa rencontre de plusieurs mondes

PCB Flex

Chip Si Si aminci

BatterieOPV (Organic PhotoVoltaic)

Composants imprimés

DEVELOPPEMENT DE TECHNOLOGIES D’INTEGRATION

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Interconnexion feuille à feuille � Matrice active de transistors connectée à une matrice de capteurs� Connexion composant imprimé et PCB Flex

Interconnexion Silicium sur PEN

Intégration carton

Moulage plastique sur feuille composant imprimé

UN ENSEMBLE DE COMPÉTENCES ET D’OUTILS

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Sérigraphie semi auto

Spray US

Héilogravure

Slot die coating

Jet d’encre

Excimer laser

Spincoating,

Sputtering

Plasma

Ligne Sérigraphie automatisée

Electronique

MATÉRIAU SENSIBLE – NANOFILS PIEZO

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Objectif: Réaliser des capteurs mécaniques de force/position avec une bonne sensibilité

Analogie et applicationsMain et toucher artificielMini joystickCapteurs proprioceptifs intégrés aux prothèsesReconnaissance de texture/état de surface

NANOFILS PIEZO

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Objectif: Réaliser des capteurs mécaniques de force/position avec une bonne sensibilité

Un existant : le capteur “clou”

x

y

z

12

34

θ

F

FF

F

F

x

xy

y

z

MiniaturisationRobustesse

Matriciel + souple

ENVIRONNEMENT

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Direction Générale du CEA

Mission DAM : indépendance stratégique de la France

Mission DEN : indépendance énergétique de la France

Mission DRT : ré-industrialisation de la France par l’innovation

Sci

en

ce Recherche fondamentale

Direction des Sciences de la Matière

Direction des Sciences du Vivant

> 16000 techniciens, ingénieurs, chercheurs

~ 150 start-up depuis 1984 (technologies innovantes)

45 Unités mixtes de recherche (UMR)

10 centres de recherche, 25 labos de recherche

4,3 Mds € de budget TechnologiesClés Génériques

Direction

de la Recherche

Technologique

Tech

no

log

ie Défense

Sécurité

Direction

des Applications

Militaires

Energie Nucléaire

Direction

de l’Energie

Nucléaire

� 5 r�gi�s

MERCI

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