Capteurs télé-alimentés et interrogeables à distance

Remotely powered and readable sensors

• Auteur / Autrice : Romain Alcesilas
• Direction : Christophe Delaveaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et Radiofréquences
• Date : Soutenance le 05/02/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Skandar Basrour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Legrand, Gaëlle Lissorgues
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hervé Aubert, Jaume Verd Martorell

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antennes miniatures

Réseaux de capteurs (technologie)

Radiofréquences

Systèmes microélectromécaniques

Mots clés libres

Antenne

Mems

Capteur

Simulation

Radiofréquences

Sensor

Antenna

Radiofrequency

Mems

Simulation

Résumé

Ces dernières années, les capteurs capables de fonctionner dans des environnements difficiles (température/pression élevée, accès difficile, etc.) ont suscité un intérêt croissant, alimenté par des applications militaires ou industrielles telles que les équipements pour salles blanches ou l'aéronautique. Ces dispositifs doivent fonctionner sans fil et sans circuit CMOS ni batterie, ce qui limite considérablement les choix technologiques pour leur mise en œuvre. Ce travail présente l'étude et la mise en œuvre de nouveaux capteurs passifs sans-fil basés sur la forte interaction entre un capteur micro-électromécanique (MEMS) et une antenne miniature. Ils combinent une longue distance de lecture (jusqu'à plusieurs dizaines de mètres), une grande sensibilité grâce à la technologie MEMS et la compacité des antennes miniatures, tout en étant spécialement adaptés aux hautes températures.La thèse est centrée sur la conception, la fabrication et la caractérisation de capteurs de pression sans-fil passifs comprenant un MEMS capacitif et une antenne miniature planaire. Une méthode de co-conception spécifique a été développée afin d'optimiser les performances des dispositifs. Les MEMS ont été fabriqués dans la salle blanche du CEA-Leti en utilisant une technologie de type CMUT, et ils ont été caractérisés en chambre anéchoïque. Plusieurs méthodes d'interrogation ont été développées et comparées expérimentalement (fréquence/puissance rétro-propagée), montrant une sensibilité de 3 MHz/bar ou 9%/bar de puissance rétro-propagée, avec une résolution maximale atteignable de 3,12 mbar à 3 mètres. En outre, une nouvelle méthode d'interrogation basée sur la résonance mécanique des MEMS est présentée. Elle permet d'outrepasser les limitations physiques des capteurs passifs sans-fil actuels, en ciblant les environnements réels où le clutter peut être important. Un modèle analytique tenant compte de la dynamique des MEMS, de l'antenne et de la propagation du signal a été mis au point et validé numériquement. Enfin, une première démonstration de cette technologie a été réalisée avec une excitation RF câblée du MEMS.En conclusion, ce travail établit une base théorique solide pour la conception de capteurs MEMS électromagnétiques. Un premier démonstrateur a été mis au point, montrant des performances de pointe dans des conditions de laboratoire, et plusieurs pistes d'amélioration ont été identifiées, tant en termes de conception que de méthodes d'interrogation.

In recent years, there has been a growing interest in sensors that can operate in harsh environments (high temperature/pressure, difficult to access, etc.), fueled by military or industrial applications such as cleanroom instruments or aeronautics. Such devices need to operate wirelessly and without a CMOS circuit or battery, severely limiting the technological choices for their implementation. This work presents the study and implementation of novel passive wireless sensors based on the strong interaction between a micro-electromechanical sensor (MEMS) and a miniature antenna. They combine a long reading distance (up to dozens of meters), a large sensitivity thanks to the MEMS technology and the compactness of miniature antennas, all while being specially adapted to high temperatures.The thesis is centered on the design, manufacturing and characterization of wireless pressure sensors comprising a capacitive MEMS and a planar miniature antenna. A specific co-design method has been developed in order to optimize the performance of the devices. The sensors have been manufactured in the cleanroom of CEA-Leti using a CMUT-like technology, and they have been tested in an anechoic chamber. Several interrogation methods have been developed and compared experimentally (frequency/back-propagated power), showing a sensitivity of 3 MHz/bar or 9%/bar of back-propagated power, with a maximal achievable resolution of 3.12 mbar at 3 meters. Furthermore, a new interrogation method based on the mechanical resonance of MEMS is presented. It avoids physical limitations of current passive wireless sensors, targeting real-life environments where electromagnetic clutter can be important. An analytical model considering the dynamics of the MEMS, antenna and propagation has been developed and numerically validated. Finally, a first demonstrator of this technology has been performed with wired RF excitation of the MEMS.In conclusion, this work sets a strong theoretical basis for the design of MEMS-based electromagnetic sensors. A first demonstrator has been developed showing state-of-the-art performances in laboratory conditions, and several paths of improvement have been identified, both in terms of design and interrogation methods.