Capacite planaire micro-fluidique pour la detection sans fil de la temperature

Un capteur, premier élément d’une chaîne de mesure, est par définition un composant qui traduit une grandeur physique, telle une variation de température ou de pression, en une grandeur exploitable généralement électrique [ASCH-1998]. Son rôle est de donner une image interprétable d’un phénomène physique de manière à l’intégrer dans un processus plus vaste. Le capteur forme ainsi une partie centrale et fondamentale de l’interface entre le monde physique et le monde électrique.

Capteurs sans fil Actifs/Passifs

Les capteurs sans fils actifs nécessitent une source d’énergie embarquée. Ils sont munis d’un circuit électronique de traitement de signal (filtrage, amplification et conversion) ainsi qu’un module d’émission qui leur permet de communiquer avec le lecteur. Dans ce type de capteurs les mesures sont transmises en temps réel dans un format compatible et exploitable [VIJ-2003]. La majeure partie de la consommation est liée au module de communication (dans le cas où la consommation du transducteur peut être négligée). Plusieurs caractéristiques limitent l’autonomie de ce type de capteur. La distance d’interrogation et le débit d’information transmis en vis-à-vis de la quantité d’énergie consommée sont des paramètres clés dans la conception de ce type de systèmes. De nombreux capteurs actifs sont commercialisés [RUH-2008] permettant des distances d’interrogation d’une centaine de mètres avec une durée de vie estimée de quelques années. En 2009, une puce radiofréquence fonctionnant à 433 MHz avec une distance de transmission supérieur à 40 km en zone rurale (3 km en zone urbaine) a été présenté par la start up Française « SIGFOX Wireless ». Ceci est rendu possible grâce à l’excellente limite de détection du lecteur, de -140dBm (-153dBm) pour des débits de 100b/s (10b/s). La durée de vie de ce système est estimée à plusieurs années [SIG-2009]. Le capteur sans fil est généralement considéré comme passif s’il n’est pas muni d’un module d’émission. La plupart des capteurs passifs sont des dispositifs qui ne possèdent pas de source d’énergie embarquée et présentent l’avantage d’être facilement intégrables. La transmission de l’information est alors assurée par l’interrogation du capteur par le lecteur. Ceci est obtenu en modulant la charge connectée à l’antenne du capteur. Effectivement, ce type de capteur est formé généralement d’une impédance dont l’un des paramètres déterminants est sensible au mesurande. L’expression littérale d’une impédance est une fonction de sa géométrie et de ses dimensions d’une part et d’autre part des propriétés électriques des matériaux qui la constitue: résistivité ρ, perméabilité magnétique μ, constante diélectrique ε [FAV-1987]. En effet, dans certain cas, les propriétés électriques des matériaux, selon la nature de ces derniers, peuvent être sensibles à des grandeurs physiques variées: température, gaz, pression, contrainte, humidité. Dans d’autre cas, l’impédance constituant un capteur peut être sensible à des changements des dimensions géométriques de sa structure: la déflexion d’une membrane ou cantilever, l’étirement d’un substrat souple…. Pour mesurer l’impédance d’un capteur passif, il est intégré dans un circuit électrique. Ce circuit conditionne et alimente le capteur. Ce type de capteur présente une solution de mesure passive, de grande précision, miniature et à faible cout pour la mesure des grandeurs physiques à distance pour différentes applications [YUR-2004] [MAH 2006] [JON-2005] [SOH-2007] [POT-2003] [GOO-1991].

Depuis quelques années, des capteurs passifs de transduction SAW (Surface Acoustic Wave) et RFID (Radio Frequency IDentification) ont fait leur apparition. Nous présenterons les composants les plus répandus fondés sur ces types de technologies.

CAPTEURS RFID

A partir des années 1970, la technologie RFID (Radio Frequency IDentification) apparait pour servir l’industrie après avoir longtemps été d’usage militaire [LAN-2005]. Les dispositifs RFID, initialement utilisées dans l’identification d’objets, servent également dans les applications de mesure sans fil passif. Le dispositif se présente sous la forme d’un microprocesseur connecté à un capteur MEMS et doté d’une antenne (figure I-2) [SAN2011]. L’étiquette reçoit de l’énergie électrique par son antenne. La communication entre le capteur et le lecteur est alors assurée en modulant la charge connectée à l’antenne du capteur. Lorsqu’il reçoit suffisamment d’énergie pour être activé, le système RFID renvoie un message au lecteur, qui a la fonction de décodage.

Les performances d’un système RFID s’expriment en termes de distance et de vitesse de lecture. Il existe 4 familles de systèmes RFID partagés par leurs fréquences de fonctionnement [RFID-1]-[RFID-2].
● Basse fréquence (BF) de 125 à 135 KHz de bande avec une distance de lecture de quelques centimètres.
● Haute fréquence (HF) à 13,56 MHz avec une distance de lecture de quelques dizaines de centimètres. La plupart des puces passives utilisent cette bande de fréquences.
● Ultra Haute Fréquence (UHF) 433,92 MHz et de 860 à 956 MHz avec une distance de lecture de l’ordre du mètre.
● Fréquences micro-ondes de 2,45 à 24 GHz avec une distance de lecture inférieure à 5 mètres.

Parmi les systèmes RFID à transpondeurs passifs, deux systèmes sont identifiés et seront comparés aux objectifs de notre étude .

CAPTEUR RFID A COUPLAGE INDUCTIF

Les fréquences basses (en général < 30MHz) sont utilisées dans des dispositifs en champ proche où la composante magnétique de l’onde permet un couplage entre le lecteur et la cellule RFID. On parle dans ce cas d’un couplage inductif fonctionnant avec des antennes bobinées pour le lecteur comme pour l’étiquette .

Le capteur est constitué d’un condensateur et d’une inductance réalisant ainsi un circuit résonant LC série pour la communication sans fil [CHE-2010]. La variation de la capacité du capteur entraine alors une variation de la fréquence de résonnance du circuit LC. Cette variation est récupérée à distance et se traduit par une variation de la fréquence du couplage inductif [FON-2002]. En 2008, un capteur de température pour des environnements sévères est réalisé à base d’une céramique ultra-sensible à la température. Cette céramique est intégrée dans un circuit LC fonctionnant à des températures supérieures à 235°C. Intégré dans un circuit de mesure avec une antenne spirale, une sensibilité Δf /f=1250ppm/°C est obtenue à la fréquence basse de 10MHz [WAN-2008]. En pratique, ce type de capteur présente deux défauts majeurs : la très faible distance d’interrogation (< 10cm) et la grande taille des antennes (plusieurs centimètres de diamètre) [BUT-2002], [JIA-2006], [LOH-2007].

CAPTEUR RFID UHF ET MICRO-ONDES

Les RFID UHF et microonde (fréquences élevées de 868MHz à 24GHz) utilisent un couplage électromagnétique. Ces dispositifs fonctionnent avec des distances de communication au-delà du mètre et sont dits systèmes à longue portée [RUH-2008]. Les longueurs d’ondes associées étant très faibles par rapport aux distances de communication, le fonctionnement de ces systèmes a lieu dans le domaine électromagnétique du lecteur. De plus, les dimensions des antennes sont beaucoup plus faibles que dans le cadre des systèmes inductifs et l’efficacité en puissance est plus élevée. En général, ce type de dispositif se présente sous la forme d’un microcontrôleur connecté à un élément sensible et doté d’une antenne par laquelle l’étiquette reçoit de l’énergie électrique. Lorsqu’il reçoit suffisamment d’énergie pour être activé, le microcontrôleur code l’information provenant de l’élément sensible en commutant la charge connectée à l’antenne entre deux valeurs. Le niveau de signal reçu par le lecteur est alors maximal ou minimal. L’alimentation électrique du capteur (transducteur, circuits électroniques) est assurée par télé-alimentation à l’aide de l’onde RF. On parle alors de communication sans fil par rétrodiffusion entre le lecteur et l’étiquette. Plusieurs travaux de recherches sur les capteurs de température RFID ont été réalisés ces dix dernières années. On peut citer les travaux de [SHE-2007] et [CHO-2005], qui utilisent la bande 860MHz-960MHz. Les cellules sont réalisées à base de processeur CMOS. Le circuit est composé d’une source de courant proportionnelle à la température absolue contenant l’information sur la température du capteur et d’une référence. La température peut être mesurée par le temps de charge du condensateur. Des précisions de ±1°C sont annoncées sur des larges gammes de température. Avec ce même principe, une cellule de température est présentée par Vaz et al. en 2010. La distance d’interrogation est de 2 mètres et l’erreur de mesure annoncée est inférieure à 0,1°C sur une gamme de température de 10°C (entre 35°C et 45°C) [VAZ-2010].

Table des matières

CHAPITRE I : INTRODUCTION ET PROBLEMATIQUE
I. INTRODUCTION
II. CAPTEURS SANS FIL ACTIFS/PASSIFS
III.LES CAPTEURS RFID
III.1. Les Capteurs RFID à couplage inductif
III.2. Les Capteurs RFID UHF et Micro-ondes
IV.LES CAPTEURS PASSIFS A ONDE ACOUSTIQUE
V. LES CAPTEURS A TRANSDUCTION ELECTROMAGNETIQUE
VI. REFERENCE
CHAPITRE II : CAPACITE PLANAIRE MICRO-FLUIDIQUE POUR LA DETECTION SANS FIL DE LA TEMPERATURE
I. INTRODUCTION
II. CONCEPTION DU TRANSDUCTEUR MICRO-FLUIDIQUE
II.1. Principe de fonctionnement
II.2. Dimensionnement de la capacité
II.3. Dimensionnement de la structure microfluidique
II.4. Simulation EM de la structure complète
III.FABRICATION DU TRANSDUCTEUR MICRO-FLUIDIQUE
III.1. Réalisation des masques
III.2. Description du procédé de fabrication
III.3. Structuration des électrodes de la capacité
III.4. Fabrication du canal micro-fluidique
III.4.1. Présentation de la SU-8
III.4.2. Structuration du canal micro-fluidique
III.4.3. Capotage du canal micro-fluidique
III.5. Remplissage de l’eau dans le canal
IV. CARACTERISATION DES DISPOSITIFS
IV.1. Mesures de dilatation thermique de l’eau dans les canaux
IV.1.1. Description du banc de test
IV.1.2. Résultats expérimentaux
IV.2. Caractérisation de l’impédance
IV.2.1. Mesure des paramètres S
IV.2.2. Extraction de la capacité
V. INTEGRATION DU TRANSDUCTEUR
V.1.Mesure de l’écho radar
V.2. Intégration dans une antenne dipôle
VI. CONCLUSION
VII. REFERENCES
CHAPITRE III: RESEAU DE DIPOLES RECONFIGURABLES MICRO-FLUIDIQUE
I. INTRODUCTION
II. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ET CHOIX TECHNIQUES
III. RESEAU DE DIPOLES PLANAIRES «IDEAL»
III.1. Conception et Simulation EM
III.2. Fabrication des structures
III.3. Caractérisation
IV. RESEAU DE DIPOLES PLANAIRES «REEL»
IV.1. Conception et Simulation
IV.1.1. Description de la structure
IV.1.2. Dimensionnement de la structure
IV.1.3. Simulations de la structure
IV.2. Fabrication de la Structure
IV.2.1. Procédé Technologique de Fabrication
IV.2.2. Galinstan
IV.2.3. Remplissage des structures micro-fluidiques
IV.3. Résultats de mesure radar
V. AMELIORATION DES PERFORMANCES DU CAPTEUR
V.1. Interrogation à deux fréquences
V.2. Interrogation du second mode à 30 GHz
VI. CONCLUSION
VII. REFERENCES
CONCLUSION GENERALE

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