capteurs et systèmes de mesure dans les matériaux

CAPTEURS ET SYSTÈMES
DE MESURE DANS LES
MATÉRIAUX
Matinée thématique
Jean-Benoît Pierrot, CEA région
pré[email protected]
19 NOVEMBRE 2014
INTRODUCTION
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
Full Gaz analysis
solution
Energy harvesting
solutions (solar,
vibration, heat, …)
Physical MEMS
sensors
Electromagnetic
sensor
Fiber optics
Sensors
Acoustic
solutions
Data reduction
and decisionmaking
Master the calibration
and drift issues Specific embedded
algorithms
Modeling for
optimization
and
interpretation
Sensors systems,
(i.e. Morphosense)
Le Système
de Mesure
Extract valuable
information:
Kalman filters,
bayesian algorithms
ASIC for wire
diagnosis
Phased Array UT
Real time
processing
Long range medium
speed
communication, high
autonomy
Trusted computing
Security certification
Short range
high speed
communication
Low power security
protocols
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DEFINITION : CAPTEUR & SYSTÈME DE MESURE
Objectif : Système de mesure monolithique ou fragmenté
Quel nœud élémentaire ?
Capteurs – mesures directes ou indirectes
Communication - filaire ou sans fil
Energie – Filaire, batterie, récupération d’énergie (autonomie)
Traitement du signal/de l’information - Analyse des données en local
Packaging – adapté (résiste aux contraintes, assure interface avec environnement à mesurer,
…).
Packaging
Traitement
Information
Processeur
Mémoire
…
Communication
Transceivers
Antennes
noeud
…
noeud
Energie
Stockage
Récupération
…
Capteurs
Actuateurs
…
noeud
noeud
Environnement
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EXEMPLES ET OUTILS
Syst
e de œuds capteurs
Texti e
E ectr ique
s up e
Axe -c
Quoi .. Comment .. Application
a
pie
fi s
2µm
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APPLICATION TUYAU
Application : Maintenance de canalisations enfouies.
Localisation.
Problématiques
Communication 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
Application générique : Mesure de déformation d’une structure
et sur différent type d’échelle (petit, moyen, grand) … temps réel
Linéaire
Surfacique
Propriétés
Capacité de restitution des courbures 2D / surfaces 3D
Précision à 10-3 sur le rayon de courbure (1mm pour Rc=1m)
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APPLICATION DÉFORMATION - RISER
Problématiques
Nœud
Capteurs : accéléromètres/magnétomètres MEMS
Communication/Energie : filaire (noyé dans gaine)
Packaging : collage/sertissage (futur=intégré)
Réseau de capteurs répartis / immergés
Système centralisé – Traitement information
Mesure de la courbure, restitution de la forme…
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LE TEXTILE
Objectif : Intégration d’électronique dans le textile
Quelles fonctions (dont capteurs) & applications
RFID: traçabilité, anti-vol, anti-contrefaçon.
RFID-UHF (868-953 MHz): portée de lecture de 5-10 m.
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LE TEXTILE
Objectif : Intégration d’électronique dans le textile
Quelles fonctions (dont capteurs) & applications
RFID: 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
Objectif : Intégration d’électronique dans le textile
Quelles fonctions (dont capteurs) & applications
RFID: 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: affichages
Décoration.
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CONNECTIQUE ET COMMUNICATION
Integration de conducteurs et d’antennes dans le textile.
“Etiquettes” cousues
Feuilles métalliques
Fil métallique
Fibre métallisée
Etat de l’art industriel
Verrou: connectique et
packaging de l’électronique
E-fiber – Ohio State Univ.
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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
Capot
Fil
Circuit
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COMMENT
Procédé
Composants:
Wafer Capot
Wafer Actif
Fils
Etapes:
Rainurage
Dépot de Colle
Assemblage
Insertion
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COMMENT
Fils Conducteurs
Fibre porteuse,
Enrobage
Wafer Capot
Etape 1 :
assemblage
diabolo
Wafer Actif
Wafer de puces
Diabolo scié
Etape 2 :
Connection
Bobine de Diabolo Connectés
Etape 3 :
Conditionnement
Bobine de Diabolo Dédiés
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POUR ALLER JUSQU’AU TISSU-SYSTÈME
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L’ELECTRONIQUE FLEXIBLE IMPRIMÉE
Utilisation de matériaux organiques ayant des performances
électriques, électroniques, optoélectroniques pour réaliser des
composants électroniques
Change radicalement le modèle de l’électronique classique Si
Chimie organique
ingénierie des performances des matériaux
Formulation d’encre
développement de procédé en voie liquide
Procédés 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
Capteurs et matrices de capteurs
Température
Piézo Pyro
Photodiode
Fonctions logiques
R,L C filtre RF
Mémoire ferroélectrique
Afficheurs
OLED par voie d’impression
Circuit logique (transistors)
Energie
Batteries
Organic Photovoltaics OPV
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SYSTÈMES SUR FEUILLE
Intégration Hybride de plusieurs fonctions sur Flex
La rencontre de plusieurs mondes
PCB
Flex
Chip Si
Si aminci
Batterie
OPV (Organic PhotoVoltaic)
Composants
imprimés
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DEVELOPPEMENT DE TECHNOLOGIES
D’INTEGRATION
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
Slot die coating
Excimer laser
Spincoating,
Sputtering
Plasma
Electronique
Sérigraphie semi auto
Ligne Sérigraphie automatisée
Spray US
Jet d’encre
Héilogravure
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MATÉRIAU SENSIBLE – NANOFILS PIEZO
Objectif: Réaliser des capteurs mécaniques de force/position
avec une bonne sensibilité
Analogie et applications
Main et toucher artificiel
Mini joystick
Capteurs proprioceptifs intégrés aux prothèses
Reconnaissance de texture/état de surface
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NANOFILS PIEZO
Objectif: Réaliser des capteurs mécaniques de force/position
avec une bonne sensibilité
Un existant : le capteur “clou”
z
3
4
2
1
y
x
Fz
Fx
F
Fy
θ
Fxy
Matriciel
+ souple
Miniaturisation
Robustesse
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ENVIRONNEMENT
> 16000 techniciens, ingénieurs, chercheurs
~ 150 start-up depuis 1984 (technologies innovantes)
Direction Générale du CEA
45 Unités mixtes de recherche (UMR)
Technologie
10 centres de recherche, 25 labos de recherche
Défense
Sécurité
Energie
Nucléaire
Direction
des Applications
Militaires
Direction
de l’Energie
Nucléaire
Technologies
Clés Génériques
Direction
de la Recherche
Technologique
4,3 Mds € de budget
Science
5 r gi
s
Recherche fondamentale
Direction des Sciences de la Matière
Direction des Sciences du Vivant
Mission DAM : indépendance stratégique de la France
Mission DEN : indépendance énergétique de la France
Mission DRT : ré-industrialisation de la France par l’innovation
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MERCI
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