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Projet NanoComm

ANR
CEA Leti CIRIMAT EADS IMS Bordeaux
LAAS-CNRS LPCNO NanomadeConcept
Projet NanoComm

Objectifs et caractère ambitieux/novateur

Le projet « NanoComm » se propose d’explorer les potentialités offertes par les nanotechnologies pour le développement de nouvelles générations de réseaux de capteurs sans fils reconfigurables et robustes dans l’optique d’une industrialisation pour des applications aéronautiques, pour lesquelles nous avons identifié un fort potentiel de développement économique.

Le projet « NanoComm » se propose d’apporter une contribution dans le domaine de l'aéronautique en s'organisant autour de cinq objectifs scientifiques et technologiques, pluridisciplinaires :

a) Développement de nano-capteurs miniaturisés sur substrat souple

Dans ce projet nous envisageons de réaliser des nano-capteurs  à fonctionnalisation de surface sur substrat souple pour des applications industrielles. Nous avons choisi 2 types de nano-capteurs : jauge de contrainte et capteurs électrochimiques qui seront utilisés à la fois pour démontrer le concept de capteurs d’humidité mais également pour démontrer la possibilité de détecter les phénomènes de givre pour lesquels les solutions existantes ne sont pas complètement satisfaisantes.

Pour les nano-capteurs de type jauge de contrainte l’objectif est de réaliser un réseau de jauges de contrainte à base de nanoparticules qui soit ultra-sensible, bas coût, à faible consommation électrique et dont la gamme d’utilisation s’étendra pour détecter des forces comprises du Newton jusqu’au µN.

Il existe actuellement deux types de jauges de contrainte résistives sur substrat souple : les jauges métalliques (en alliages à base de Ni ou de W/Pt) et les jauges semi-conductrices (en Si). Dans les deux cas, la variation de la résistance de ces jauges est proportionnelle à la déformation. Le coefficient de proportionnalité est appelé facteur de jauge. Le procédé de fabrication des jauges métalliques est certes simple et à bas coût (circuits imprimés) mais ces jauges ont une sensibilité limitée (facteur de jauge de l’ordre de 2 à 4) et leur résistance réduite (la centaine d’ohms) donne lieu à une dissipation importante d’énergie à tension fixée. Les jauges semi-conductrices, quant à elles, présentent une grande sensibilité (facteur de jauge de l’ordre de 70 à 200) mais elles sont limitées à la mesure de faibles déformations. Leur comportement est  très fortement sensible à la température.

En 2004, Hermann et al. ont proposés de réaliser des jauges de contrainte ultra-sensibles en déposant une assemblée de nanoparticules sur un substrat souple. La variation de la résistance de ces jauges à base de nanoparticules en fonction de la déformation n’était pas linéaire mais exponentielle (le coefficient dans l’exponentielle pouvant aller jusqu’à 100). Néanmoins, très peu de travaux dans la littérature ont été dédiés à ce type de nano-capteurs pourtant extrêmement prometteurs[1][2]. Ces travaux rapportent des sensibilités très importantes attribuées à un mécanisme d’effet tunnel entre nanoparticules. Néanmoins, aucune preuve expérimentale ni analyse précise est faite pour étayer et justifier cette interprétation. Le dépôt des nanoparticules sur le substrat souple, réalisé dans ces travaux par spray, n’est, en outre pas finement contrôlé. L’impact de la nature et de la fonctionnalisation des nanoparticules sur les performances de ces capteurs n’a pas à ce jour été étudié à notre connaissance. Ces paramètres ont pourtant été identifiés par ces auteurs comme des éléments clés.

Ce type de nano-capteur sera élaboré par une approche bottom-up, en totale rupture technologique avec l’existant. En effet, la partie active de ce dispositif sera constituée de nanoparticules (1 nm à 20 nm de diamètre) synthétisées par chimie douce et assemblées sur un substrat souple par des technologies innovantes de dépôt (dépôt convectif/capillaire et nano-xérographie). Cette partie active sera encapsulée dans une couche de protection (cap-layer), servant d’interface utilisateur robuste et éliminant tout problème de dissémination des nanoparticules dans l’environnement.

Une multitude d’applications de ce type de dispositif peut être imaginée. Deux applications spécifiques seront explorées dans ce projet : les jauges de contrainte embarquées pour l’avionique et la cartographie de déformations.

Les principaux verrous scientifiques et techniques que nous adressons pour ces nano-capteurs sont :

Le second type de capteur auquel nous allons nous intéresser concerne l’exploration du concept de nano-cellules électrochimiques « ElecCell » (Electrochemical nanoCell) qui est habituellement utilisé dans le cas de capteurs électrochimiques pour des applications médicales et environnementales afin de pouvoir envisager de nouvelles approches de capteurs d’humidité et de détecteurs de givre.

L’innovation principale apportée ici réside dans le fait que nous allons utiliser des concepts développés pour l’agroalimentaire et l’environnement et les adapter pour des applications aéronautiques et en particulier des capteurs d’humidité et détecteur de givre

L'innovation sera liée au développement de ces nano-capteurs en technologie flexible, soit en amincissant des  puces en silicium, soit en travaillant directement sur substrat souple. Le verrou à lever est l’étude, la compréhension et la réalisation des mécanismes de transduction électrochimique en micro et nano-volumes et à leur utilisation pour des applications liées à l’aéronautique. Les travaux seront ainsi consacrés à l'intégration de couches de fonctionnalisation  soit électro-chimiquement actives pour améliorer la sélectivité de détection vis-à-vis d'une molécule à détecter, soit chimiquement ou biochimiquement sensible pour élargir la gamme de détection à de nouvelles molécules. L'innovation vise à développer des techniques d'intégration collective basées soit sur les procédés de dépôt électrochimique, soit sur les procédés de dépôt par jet d'encre. Ceci constitue un deuxième verrou scientifique à lever.

Le troisième verrou majeur consiste  dans la conception, réalisation et intégration d'une interface de mesure adaptée aux techniques d'analyse électrochimique par ampèrométrie, intégration directement sur le même substrat souple que le capteur lui-même. L'aspect innovant sera ici lié à l'intégration d'une interface de mesure de type « potentiostat » permettant de passer de la réalisation d'un nano-capteur à celle d'un nano-système de détection miniaturisé.

b) Développement d’architectures de communications reconfigurables robustes

Le domaine aéronautique impose des spécifications sévères en ce qui concerne la fiabilité,  la compatibilité électromagnétique, l’immunité aux interférences, la puissance consommée et le déterminisme des protocoles. Cela nous a conduit à choisir de développer des liens sans fils courtes et moyennes distances en ultra large bande par impulsions (UBW-IR en anglais). Deux bandes de fréquences sont choisies : 3 GHz à 10 GHz pour les liaisons moyenne distance et 60 GHz pour les liaisons courtes et très courtes distances afin de limiter les multi trajets et minimiser les pertes d’énergie dus aux diagrammes de rayonnement trop dispersifs.

Pour la bande 3-10 GHz, il sera développé un transceiver UWB-IR intégré (sur une de sous-bandes, la 3-5GHz) incluant la bande de base en technologie CMOS 65 nm de chez ST Microelectronics afin de minimiser la puissance consommée et de disposer d’une sensibilité la meilleure possible. Il faut souligner qu’aujourd’hui les produits commerciaux en Ultra Wide Band présentent des consommations très élevées et n’intègrent pas la tête RF avec la couche de bande de base. Cette intégration permettra un gain de place et de performance car les deux blocs pourront être co-développés conjointement. Nous proposons dans le projet « NanoComm » d’intégrer la puce sur un substrat souple incluant l’antenne et les nano-capteurs ce qui à notre connaissance n’a jamais été démontré et devrait faire l’objet au moins d’un dépôt de brevet.

Pour la bande autour de 60 GHz, nous développerons la bande base complètement reconfigurable en fonction des demandes de l’application (débit de quelques Kbit/sec à une centaine de Mbit/s, nombre de nœuds du réseau et distance d’émission, forme d’impulsion, spectre) et la tête RF intégrées chacune sur une puce, là encore en technologie CMOS 65nm de chez ST Microelectronics. Aujourd’hui, il existe quelques produits commerciaux dans la bande de 60 GHz pour des applications de communications à très haut débit. La société SiBeam et la société STACCATO (sociétés américaines) annoncent la disponibilité d’une puce comprenant la tête RF, la bande de base en technologie CMOS 65nm et l’antenne mais la disponibilité réelle est inconnue. De plus, ces circuits utilisent une bande de base OFDM qui induit une consommation importante des circuits par rapport à l’UWB impulsionnel, et donc non-adapté pour les réseaux des capteurs sans fil pour l’aéronautique. Il faut remarquer qu’aucune offre n’est disponible en France ou en Europe.

L’innovation que nous proposons dans le projet « NanoComm » est d’utiliser la bande 60 GHz pour faire de l’instrumentation très courte distance dans des zones difficiles d’accès. La figure 4 présente l’architecture du nœud de capteur telle que nous l’envisageons.

Schéma du nœud de capteur communicant à 60 GHz sur substrat souple 

Figure 1 : Schéma du nœud de capteur communicant à 60 GHz sur substrat souple

L’émetteur-routeur, étant dans une zone plus accessible avec davantage de disponibilité énergétique va utiliser le principe du « scanner » pour aller interroger les capteurs et faire les mesures comme illustré sur la figure 5. Sur cette figure, le routeur vient « viser » les différents nœuds en utilisant des déphaseurs à MEMS RF couplés à des antennes qui seront miniaturisés. Cette architecture d’instrumentation est très originale et exploite les propriétés du lien 60 GHz pour réaliser des mesures point à point très courtes distances donc très peu sensibles aux interférences une fois que le réseau est installé.

Schéma du routeur - scanner à 60 GHz 

Figure  2: Schéma du routeur - scanner à 60 GHz

c) Intégration Système

Cette partie intégration système se propose d’explorer les voies qui permettront de développer des réseaux de capteurs sans fils à insérer dans des zones difficiles d’accès et en particulier sur des zones non planes ainsi que la possibilité d’insérer des capteurs ou les réseaux de capteurs directement à l’intérieur des films composites des futures générations d’aéronefs.

Pour ce qui concerne l’intégration dans des zones d’accès difficiles, il est proposé d’exploiter les potentialités des nano-encres à base de nano particules d’Argent et à base de nanotube de carbone pour développer des antennes sur substrat souples dans les bandes 3-10 GHz et 60 GHz. Il faut souligner que nous chercherons à intégrer ces antennes sur les mêmes substrats souples que les nano-capteurs développés, ce qui est un aspect très novateur de ce projet. Les travaux concerneront à la fois la mise en œuvre des encres et le développement du procédé de fabrication par jet d’encre pour lequel nous avons déjà obtenu des résultats très intéressant comme en témoigne la figure 6.

 Exemple d’une couche de nanotube de carbone déposé par jet d’encre

Figure 3 : Exemple d’une couche de nanotube de carbone déposé par jet d’encre

A notre connaissance, il y a peu de travaux sur ce sujet car nous relevons des travaux initiés par le Professeur M.Tentzeris[3] à Georgia Tech qui a réalisé des circuits RF et antennes sur des substrats souples et sur du papier et qui utilise également les nanotubes de carbone comme capteurs de gaz, ce qui a déjà été démontré par le LAAS[4] également. Il faut enfin souligner que les transceivers qui seront développés seront intégrés en technologie « flip chip » pour former un module miniaturisé.

La seconde approche concernant l’intégration vise à intégrer directement les capteurs et/ou transceiver dans les fibres composites. Pour cela, le LETI a inventé un nouveau procédé « appelé Diabolo » qui permet d’assembler les puces avec des fils pour ensuite venir tresser ces fils dans des matrices composites comme illustré sur la figure 7.

 Exemple d’un assemblage de puce avec le procédé « diabolo »

Figure 4 : Exemple d’un assemblage de puce avec le procédé « diabolo »

Il s’agit d’un procédé très innovant qui permet d’envisager de réaliser des « chapelets » de capteurs et/ou transceivers directement « noyés » dans le matériau composites. Dans le projet « Nanocomm » il sera démontré ce concept d’intégration de puce multiple en utilisant ce procédé et il sera également étudié les potentialités offertes par cette technologie sur le plan des architectures de réseau sans fil car il sera envisageable de pouvoir communiquer entre diverses couches voire d’alimenter certains composants par le diabolo. Nous sommes convaincus que de nombreux brevets et innovations pourront être réalisés.

Dans une phase II du projet nous envisageons des tests et caractérisation des dispositifs finaux (substrat souple et composite) sur pièce avion (métallique ou composite) ou directement sur avion en collaboration directe avec EADS IW. On pense par exemple à des tests de mesure et localisation d’impacts en utilisant le  réseau de capteurs.

d) Architecture du réseau, analyse des contraintes d’utilisation en aéronautique

Comme déjà mentionné, le domaine aéronautique impose des spécifications sévères en ce qui concerne la fiabilité,  la compatibilité électromagnétique, l’immunité aux interférences, la puissance consommée, la sécurité et le déterminisme des protocoles. Si la technologie UWB utilisée parait à priori intéressantes pour certains de ces points, une analyse approfondie de la technologie est nécessaire afin de définir l’architecture réseau et le protocole adéquats.

Cette partie impliquera donc des travaux sur les couches MAC de nouvelles générations ainsi que sur le routage des éléments du réseau afin de prendre en compte les spécificités et contraintes liées à l’aéronautique

Il est en particulier possible d’introduire grâce à ces nouvelles technologies, davantage de fonctionnalités comme le cryptage de la liaison, l’auto-diagnostique et la reconfigurabilité et d’obtenir synchronisation inférieures à 50ns. L’impact des nouvelles technologies sur les protocoles de communication sera étudié en vue de réaliser des réseaux de capteurs plus robustes et plus fiables. Dans ce contexte, une première analyse de la robustesse des technologies de capteurs sans fils UWB vis-à-vis de l’environnement spécifique de l’avion (température, vibrations, radiations naturelles, électromagnétique) et d’un brouillage fortuit ou intentionnel sera réalisée. Cette analyse qui n’a jamais été faite à ce jour est indispensable pour qu’un jour ces technologies puissent réellement voler sur avion, et doit être faite dès les 1ères phases de développement pour éviter de partir sur de mauvaises pistes. Cette étude permettra de proposer par la suite des solutions originales adaptées à la spécificité des technologies UWB.

e) Mise en place d’une plateforme de conception et de bloc IP réutilisables

Le besoin est très important en ce qui concerne le développement de méthodologies de conception et de bibliothèques de modèles et de bloc IP qui permettront d’être réutilisés dans beaucoup d’autres applications industrielles. Dans ce contexte, des partitionnements analogique/numérique seront étudiés et des modèles haut niveaux (utilisant le formalisme VHDL et VHDL-AMS) seront proposés à la fois pour les capteurs, antennes, transceivers UWB qui permettront de pouvoir :