Développement de structures textiles communiquant en champs proches (NFC) pour le transfert d’énergie et de données autour du corps humain

Development of near field communicating (NFC) textile structures for energy and data transfer around the human body

• Auteur / Autrice : Baptiste Garnier
• Direction : Vladan Koncar, Cédric Cochrane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, productique
• Date : Soutenance le 25/06/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMTEX (Roubaix) - Génie et Matériaux Textiles / GEMTEX
• Jury : Président / Présidente : Thierry Djenizian
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Corinne Farace, François Rault, Philippe Mariage, Ludovic Burgnies
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Djenizian, Aziz Benlarbi-Delaï

Mots clés

Mots clés contrôlés

Induction électromagnétique

Transfert d'énergie sans fil

Antennes (électronique)

Systèmes d'identification par radiofréquence

Internet des objets

Communication en champ proche

Textiles intelligents

Mots clés libres

Fils textiles conducteurs

Électronique souple

Textile

Connected

Antenna

RFID

Résumé

Cette étude s’inscrit dans le cadre du projet ANR CONTEXT et vise à développer des textiles connectés pour la communication autour du corps humain par le biais de structures textiles fonctionnant avec la technologie de la communication en champs proches (NFC). Ces dispositifs textiles doivent être capables d’émettre et recevoir des champs électromagnétiques afin de transmettre énergie et données sans fils.Le principal objectif est donc de développer des systèmes de télécommunication fonctionnants avec le protocole NFC en utilisant seulement des matériaux et des procédés textiles. Ces structures doivent présenter des performances électromagnétiques acceptables, tout en gardant des caractéristiques mécaniques nécessaires à l’habillement.Les applications de tels dispositifs sont multiples car ils peuvent être associés à tous les textiles connectés. En effet, ils ont pour vocation de remplacer les connectiques rigides (fil, boutons pression, soudure, …) et, par conséquent, de permettre aux divers capteurs présents dans les vêtements de communiquer et d’être alimentés directement par un smartphone, sans fil.Ces structures sont principalement réalisées avec des bobines spirales circulaires planes de 40 mm de rayon, constituées d’une ligne de courant composée de trois fils textiles conducteur Datatrans® superposés, afin de diminuer la résistance linéique. Les fils textiles conducteurs sont, quant à eux, composés de quatre filaments de cuivres purs retordus avec des filaments de polyester. L’ensemble de ces fils est recouvert d’une gaine diélectrique de filament de polyamide. Ces fils ont été déposés sur une toile de coton à l’aide d’un procédé de broderie industrielle. Deux types de structures ont été conçues : les antennes NFC textiles et le relais NFC textiles. Les relais peuvent être considérés comme des « rallonges » électromagnétiques. Ils sont composés de deux antennes reliées par des lignes de transmission, en circuit fermé. Ils permettent de recevoir un champ électromagnétique par une antenne et de l’émettre avec les autres.Les antennes et relais NFC textiles peuvent être assimilés à des circuits RLC. Les éléments électriques qui les composent (résistance, inductance et capacité) ont d’abord été réalisés à partir de matériaux textiles et étudiés de manière expérimentale. Ensuite, ces éléments ont été associés pour créer des antennes et des relais NFC 100% textiles. Les caractéristiques électromagnétiques de ces nouvelles structures ont ensuite été étudiées.Une approche théorique a permis de décrire le comportement électrique des structures NFC textiles. L’impédance des circuits RLC à été calculée à partir de leurs schémas électriques afin de déterminer leurs fréquences de résonance et leurs facteurs de qualité. Ensuite, des simulations numériques ont permis de modéliser les propriétés électriques des structure NFC textile et de les comparer aux résultats théoriques précédents. Enfin, des prototypes d’antennes et de relais présentant des caractéristiques géométriques différentes ont été caractérisés pour déterminer leurs comportements réels.Ces systèmes de télécommunications textiles possèdent des fréquences de résonance proches de 13,56 MHz et des facteurs de qualité compris entre 45 et 55. De plus, ils présentent des coefficients de transmission à la résonance compris entre -10 et -5 dB. Ces résultats ont permis de réaliser des preuves de concept de la transmission d’énergie et de données au travers des antennes et relais NFC textiles.

This study is part of the ANR CONTEXT project and aims to develop connected textiles for communication around the human body through textile structure operating with Near Field Communication (NFC) technology. These textile devices must be able to emit and receive electromagnetic fields to transmit energy and data wirelessly.The main objective is therefore to develop telecommunication systems operating with the NFC protocol using only textile materials and processes. These structures must have acceptable electromagnetic performance, while retaining the mechanical characteristics necessary for clothing.The applications of such devices are multiple because they can be associated with all connected textiles. Indeed, their vocation is to replace the rigid connectors (wire, press studs, welding, etc.) and, consequently, to enables multiple sensors present in the clothes to communicate and to be powered directly by a smartphone, wirelessly.These structures are mainly made with planar circular spiral coils with a radius of 40 mm which consist of a current line made up of three overlapped Datatrans® conductive textile threads to reduce its linear resistance. The conductive textile threads are composed of four pure copper filaments twisted with polyester filaments and the whole is covered with a dielectric sheath of polyamide filament. These threads were laid on a cotton fabric using an industrial embroidery process, where it was used as bobbin thread while a conventional hosiery thread acted as the sewing thread. Two types of structures have been designed: textile NFC antennas and textile NFC combiner. The combiner can be thought of as electromagnetic "extension cords". They are composed of two antennas connected by transmission lines, in a closed circuit. They make it possible to receive an electromagnetic field by an antenna to emit it with the others.Textile NFC antennas and combiners can be likened to RLC circuits, which is why the electrical elements that compose them (resistance, inductance, and capacitance) were first made from textile materials to be studied experimentally. Then, these elements were combined to create 100% textile NFC antennas and combiners. The electromagnetic characteristics of these new structures were then studied.First, a theoretical approach has enabled us to describe the electrical behavior of textile NFC structures. The impedance of RLC circuits has been calculated from their electrical diagrams to determine their resonant frequencies and quality factors. Then, numerical simulations have enabled us to model electrical properties of textile NFC structures and to compare them with previous theoretical results. Finally, prototypes of antennas and combiners, with different geometric characteristics, were characterized to determine their actual behavior.These textile telecommunications systems have resonance frequencies close to 13.56 MHz and quality factors between 45 and 55. Also, they have resonance transmission coefficients of between -10 and -5 dB. These results have enabled us to carry out proofs of concept of energy and data transmission through textile NFC antennas and relays.