Wake-Up Radio MultiBande Spintronique

par Imadeddine Bendjeddou

Projet de thèse en Nano electronique et nano technologies

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal , en partenariat avec Laboratoire Radio-Fréquence et Intégration de Circuits (laboratoire) depuis le 01-10-2019 .


  • Résumé

    Les réseaux de capteurs sans fils (Wireless sensor networks WSN) font partie de notre vie quotidienne et leurs applications sont en nombre croissant, en particulier avec l'avènement de l'Internet des Objets. Le développement de solutions de capteurs communicants autonomes, adaptables et à forte efficacité énergétique fait l'objet d'intenses recherches. Ce sont les modules de communications radio (RF) entre nœud (TxRx transceivers) qui sont les plus gourmandes en énergie. Une manière de réduire drastiquement la consommation énergétique est de les réveiller afin de les alimenter uniquement au moment au où ils sont sollicités. Pour cela, on utilise un récepteur de réveil (ou wake-up receiver (WuRx) ), qui lui-même doit opérer en ultra-basse en consommation et de manière immune aux signaux parasites (pour éviter les réveils intempestifs du récepteur). Un enjeu majeur du wake-up receiver et de pouvoir simultanément réagir au signal de réveil mais aussi réaliser la fonction de démodulateur afin d'extraire l'information numérique envoyées par le transmetteur, le tout avec une architecture matérielle ultra-basse consommation. Les dispositifs spintroniques proposent une solution robuste et simple pour relever ce défi. En effet les études récentes montrent que ces dispositifs spintroniques peuvent servir de convertisseurs RFDC en agissant comme des démodulateurs passifs sélectifs en fréquence possédant une grande sensibilité à faible puissance. Cette conversion repose sur un effet de rectification entrainant le mélange du signal RF reçu avec le signal d'oscillation de la résistance (induit via l'oscillation de l'aimantation), ce qui donne lieu à une tension DC. La thèse propose de démontrer de tels wake-up receiver spintroniques. Ce tout nouveau concept de wake-up receiver est attendu pour être bas coût, compact et basse consommation, ce qui permet d'envisager une exploitation massive dans les réseaux de capteurs. C'est une alternative aux concepts existants qui permettra une amélioration d'un facteur significatif sur la consommation et l'efficacité de ces techniques de wake-up receiver . Ce concept sera développé pour des dispositifs opérant dans les deux gammes de fréquences 0.1- 1GHz et 1-10GHz, utilisant des dispositifs spintroniques de différentes configurations magnétiques vortex et à aimantation perpendiculaire. Ce travail de thèse permettra d'acquérir de la propriété intellectuelle sur les WuRx spintroniques multibandes et de mieux maîtriser la technologie spintronique et leurs propriétés de rectification et de les adapter aux besoins des réseaux de capteurs sans fil. C'est une thèse multidisciplinaire qui s'appuiera sur l'expertise d'un laboratoire du CEA (l'INAC/Spintec pour la réalisation et caractérisation des dispositifs spintroniques) et de 2 laboratoires de l'Université Grenoble Alpes / Grenoble INP (RFIC lab pour la conception des circuits RF et le GIPSA-lab pour le développement de nouvelles techniques de communications radio). Le RFIC-Lab est un laboratoire reconnus pour ses activités dans la conception de circuits intégrés RF, il apportera son expertise lors de la réalisation des prototypes et pour le dimensionnement des démodulateurs. Le Gipsa-lab est un laboratoire ayant une forte expertise dans les techniques de communications radio et en particulier les protocoles de communication à forte efficacité énergétique. SPINTEC, partenaire du projet, est un leader de la spintronique et a une grande expertise dans la réalisation des dispositifs spintroniques microondes ainsi que dans la caractérisation et la modélisation de leurs propriétés dynamiques.

  • Titre traduit

    Energy-efficient wake-up radio system based on spintronic devices


  • Résumé

    Wireless sensor networks (WSN) are part of our daily lives and their applications are growing, especially with the advent of the Internet of Things. The development of autonomous, adaptable and energy-efficient communicating sensor solutions is the subject of intense research. The radio communication modules (RF) between nodes (TxRx transceivers) are the most energy consuming circuits. One way to drastically reduce energy consumption is to wake up the radio receiver only when it has to be used. For this, we use a wake-up receiver (WuRx), which itself must operate in ultra-low power consumption and provide immunity to parasitic signals (to avoid unwanted awakenings of the receiver). A major issue of the wake-up receiver is simultaneously to react to the wake-up signal but also to perform the demodulation function to extract the digital information sent by the transmitter, all with an ultra-low power consumption hardware architecture. Spintronic devices offer a robust and simple solution to this challenge. Indeed, recent studies show that these spintronic devices can serve as RF-DC converters by acting as passive frequency-selective demodulators with high sensitivity at received low power. This conversion is based on a rectification effect causing the received RF signal to be mixed with the oscillation signal of the resistor (induced by the oscillation of the magnetic field), which gives rise to a DC voltage. This PhD proposes to demonstrate such wake-up spintronic receivers. This brand new concept of wake-up receiver is expected to be low cost, compact and with low power consumption, which would allow to consider a massive exploitation in sensor networks. It is an alternative to existing concepts that will improve by significant factor the consumption and the efficiency of these wake-up receiver techniques. This concept will be developed for devices operating in two frequency ranges: 0.1-1GHz and 1-10GHz, using spintronic devices with different magnetic configuration vortex and perpendicular magnetization. This PhD work will enable the acquisition of intellectual property on multi-band spintronic WuRx and a better control of spintronic technology and related rectification properties to adapt them to the needs of wireless sensor networks. It is a multidisciplinary thesis that will draw on the expertise of a CEA laboratory (INAC / Spintec for the realization and characterization of spintronic devices) and two laboratories of Grenoble Alpes University / Grenoble INP (RFIC lab for the design of RF circuits and the GIPSA-lab for the development of new radio communication techniques). The RFIC-Lab is a recognized laboratory for its activities in the design of RF integrated circuits. It will bring its expertise in the realization of prototypes and for the design of demodulators. The Gipsa-Lab is a laboratory with a strong expertise in radio communication techniques and in particular in energy efficient communication protocols. SPINTEC, project partner, is a leader in spintronics and has a great expertise in the realization of microwave spintronic devices as well as in the characterization and modeling of their dynamic properties.