Electronique radio-fréquence flexible à base de substrats biosourcés

Flexible radio-frequency electronics based on biosourced substrates

• Auteur / Autrice : Abdelghafour Sid
• Direction : Tuami Lasri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 12/06/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Kamal Lmimouni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thibaut Deleruyelle, Pierre-Yves Cresson, Nicolas Joly
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Xavier, Marjorie Grzeskowiak

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux corporels sans fils

Esters cellulosiques

Polymères biosourcés

Radiofréquences

Circuits pour microondes

Mots clés libres

Electronique flexible

Antenne double bande

Antenne redresseuse

Circuits RF souples

Microwaves

Characterization

Biosourced materials

Flexible electronics

Dual band antenna

Rectenna

Résumé

Résumé:L'électronique radio-fréquence (RF) flexible est en pleine croissance compte tenu des nombreuses applications possibles dans un grand nombre de domaines. En effet, la possibilité de disposer de circuits RF souples et conformables ouvre des perspectives dans des domaines aussi variés que, par exemple, les communications, l'automobile, les capteurs, les loisirs et la santé. Cette technologie repose sur l'utilisation de matériaux souples, utilisés comme substrats, capables de résister aux contraintes mécaniques susceptibles d'être rencontrées dans les applications visées. Généralement, ces matériaux sont des polymères pétrosourcés. Aussi, dans la perspective de réduire d'une part la dépendance vis-à-vis du pétrole et d'autre part la quantité des déchets électroniques, l'intégration de polymères biosourcés dans des systèmes RF est envisagée. Plus particulièrement, nous proposons dans ce travail de thèse de fabriquer des dispositifs RF sur un substrat original, le laurate de cellulose. Ce dernier permet ainsi de participer au développement d'une électronique RF souple mais aussi plus verte.Ce mémoire de thèse aborde dans un premier temps la caractérisation du laurate de cellulose. Une attention particulière est accordée à la détermination de ses propriétés diélectriques sur une bande de fréquence allant de 0.5 GHz à 67 GHz. Ensuite, nous présentons un filtre passe bande flexible de fréquence centrale 2.45 GHz fabriqué sur ce substrat biopolymère en utilisant une méthode basée sur la structuration par laser d'un film de cuivre autocollant. Dans la foulée, sont exposés les résultats de caractérisation d'une antenne double bande (2.45 GHz et 5.8 GHz) flexible réalisée sur laurate de cellulose pour des applications WBAN (Wireless Body Area Network). L'évaluation des performances de ces dispositifs, sous différents types de contraintes mécaniques, a montré des dégradations minimales de leurs caractéristiques RF (coefficient de réflexion, bande passante et diagramme de rayonnement). Enfin, nous exposons dans une dernière partie les résultats d'un système de récupération d'énergie électromagnétique (rectenna) double bande (2.45 GHz et 5.8 GHz) flexible fabriqué sur ce même substrat biopolymère.

Abstract:Flexible radio-frequency (RF) electronics is a rapidly growing technology given its many possible applications in a wide range of fields. In fact, the ability to have flexible and conformable RF circuits opens up possibilities in diverse areas such as communications, automotive, sensors, leisure, and healthcare. This technology is based on the exploitation of flexible materials used as substrates capable of withstanding mechanical stresses that may be encountered in the targeted applications. Typically, these materials are petro-based polymers. However, in the perspective of reducing dependence on petroleum and reducing electronic waste, the use of bio-based polymers is being considered. More specifically, in this doctoral work, we propose to manufacture RF devices on an original substrate for this type of applications, the cellulose laurate. We demonstrate that this material brings a promising contribution to the development of a flexible and greener RF electronics.This doctoral dissertation first focuses on the characterization of cellulose laurate. Particular attention is given to determining its dielectric properties over a frequency range spanning from 0.5 GHz to 67 GHz. Next, we present a flexible band-pass filter with a center frequency of 2.45 GHz fabricated on this biopolymer substrate using a laser structuring method and adhesive copper film. Additionally, we present the characterization results of a flexible dual-band antenna (2.45 GHz and 5.8 GHz) made on the same substrate for WBAN (Wireless Body Area Network) applications. The performance evaluation of these two devices under different types of mechanical stress showed minimal degradation of their RF characteristics (reflection coefficient, bandwidth and radiation patterns). Finally, we present the results of a flexible dual-band (2.45 GHz and 5.8 GHz) electromagnetic energy harvesting system (Rectenna) fabricated on the same biopolymer substrate.