CAPTEURS ET SYSTÈMES DE MESURE DANS LES … · Applications en santé, bien-être, sports,...
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CAPTEURS ET SYSTÈMES DE MESURE DANS LES MATÉRIAUX
19 NOVEMBRE 2014
Jean-Benoît Pierrot, CEA région
� pré[email protected]
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
| 5
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
21
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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