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
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INTRODUCTION
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Matériaux souples
Capteurs et systèmes de capteurs intégrés aux matériaux
Boites à outils et exemples d’applications
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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
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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
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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
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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
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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
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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…
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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COMMENT
Procédé
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� Wafer Capot
� Wafer Actif
� Fils
� Rainurage
� Assemblage
� Insertion
Composants: Etapes:
� Dépot de Colle
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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MERCI
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