Ce thème porte sur les microsystèmes dédiés à l’analyse des ressources naturelles fluidiques : air, eau, hydrocarbures, et fluides complexes, notamment ceux utilisés dans les matériaux de construction. Les ressources naturelles fluidiques revêtent d’importants enjeux économiques, énergétiques, environnementaux dans une perspective de développement durable. Notre contribution porte sur l’étude et le développement de microsystèmes d’analyse inédits permettant une analyse phénoménologique et/ou quantitative et sélective de constituants chimiques, biologiques et particulaires. Dans le contexte du projet de laboratoire, la possibilité de déployer un « réseau de microsystèmes d’analyse » dans un environnement urbain ou sur le corps humain, offre une fonctionnalité bien supérieure à celle d’un simple « réseau de capteurs », ne serait-ce que par la diversité des informations qu’il peut produire.
Les activités du thème s’intègrent parfaitement dans le projet du laboratoire autour des applications de capteurs et systèmes pour l’environnement et la personne, en particulier le maintien à domicile de personnes fragilisées, l’aide au handicap sensoriel et la surveillance de la qualité de l’air (diagnostic précoce de certaines maladies respiratoires ou de cancers), par le développement de solutions multidisciplinaires dans le domaine des micro et nanotechnologies.
Plusieurs approches sont proposées autour de :
la miniaturisation des techniques d’analyse dans des micro-dispositifs permettant la réduction des produits utilisés, la diminution des temps de réponse, la fabrication collective (en lien avec la microfluidique et les systèmes sur puce),
le développement de micro-capteurs non invasifs ou implantables selon les applications visées, et permettant des études de réactivité sensorielle ou motrice (interfaces avec les neurosciences), le suivi de paramètres physiologiques et l’aide au diagnostic précoce (avec le développement de capteurs biomédicaux innovants).
L’équipe se positionne clairement autour du développement de nouvelles solutions technologiques en interaction avec d’autres domaines disciplinaires le plus souvent externes au laboratoire (biologie, médecine, neurosciences d’une part), et aussi en lien avec les autres composantes du laboratoire (liaison RFID ou sans fil pour interagir avec les micro-capteurs, antennes miniatures, matériaux nano-structurés).
Le capteur communicant est un des éléments clés des réseaux de capteurs sans fil et de l’internet des objets, sujets au cœur du projet de laboratoire. Pour alimenter chaque capteur noeud du réseau, une source d’énergie indépendante et miniaturisée est généralement souhaitable. La plupart du temps, une batterie est utilisée mais celle-ci est inadaptée dans de nombreuses situations de par son coût de remplacement et/ou son vieillissement prématuré. Dans ce cas, la conversion en électricité d’une autre source d’énergie située dans l’environnement immédiat du capteur est la solution. C'est plus particulièrement sur les sources d'énergie vibratoire et d'énergie électromagnétique que s'est positionné le laboratoire.
Les activités de ce thème s’articulent autour du développement de méthodes d’étude et d’analyse en électromagnétisme et l'étude des systèmes rayonnants et de la propagation en milieux complexes. Elles apportent des éléments de connaissances dans le dimensionnement, la conception et l’utilisation de systèmes de communications et de capteurs dans des environnements complexes (ville ou personne) et s’inscrivent ainsi pleinement dans le cadre général du projet du laboratoire. En particulier, quatre thèmes en lien avec ce projet sont approfondis depuis plusieurs années: 1/ les chambres réverbérantes, 2/ les technologies RFID pour la santé et le monitoring urbain, 3/ les antennes dans la matière et la propagation près d'une interface, 4/ la modélisation statistique et l'analyse des incertitudes en électromagnétisme. Les dispositifs de récupération d'énergie RF ambiante, à cheval avec le thème "Récupération d’énergie ambiante RF et vibratoire", seront détaillés dans le chapitre correspondant.
La chambre réverbérante est un environnement de mesures permettant la caractérisation de systèmes rayonnants dans un environnement multitrajet, et ceci de façon reproductible. Elle est donc adaptée à la caractérisation de systèmes conçus pour fonctionner en milieu confiné, que ce soit en milieu urbain, à l’intérieur des bâtiments ou dans les transports. Son lien avec le projet de laboratoire tient donc à la possibilité offerte de reproduire les propriétés des environnements réels lors de la caractérisation de systèmes rayonnants. Ce thème est développé dans 5.3.
Les technologies RFID s'intègrent dans le contexte général des objets connectés, clé de l'intelligence ambiante, dans les domaines de la santé ou du monitoring urbain. Pour la RFID "longue distance" UHF, on a en particulier développé des antennes à diversité pour lecteurs RFID UHF et des tags dédiés aux environnement complexes au sens diélectrique ou métallique (bouteilles d'eau, des câbles électriques, béton). Un autre volet porte sur la localisation de tags par l'utilisation de mini-réseaux d'antennes lecteur à l'échelle d'un entrepôt ou d'un magasin. Un émulateur de communication RFID utilisant un banc d'antennes motorisées a notamment été associé à des techniques de détection d'arrivée (ESPRIT, lissage spatial).
En RFID LF et HF "courte distance", les applications visées sont le suivi d'instruments chirurgicaux et le déplacement de galets dans les rivières. Un sujet connexe est la recharge de batterie sans contact (WPT=Wireless Power Transfer) en particulier pour des implants médicaux. Dans toutes ces applications, un point crucial est la difficulté pour détecter dans un grand volume un tag de petites dimensions. A cette fin, des concepts innovants de lecteurs multi-boucle à 13.56GHz ont été développés pour maximiser le couplage magnétique entre lecteur et tags avec des tailles de tags comparables aux petites boucles constituant le lecteur.
Les activités autour de la RFID HF font l'objet d'un projet de maturation avec la SAAT IdF, celles sur la RFID UHF ont conduit au dépôt de 3 brevets.
Concernant la problématique des antennes dans la matière et la propagation près d'une interface, un premier volet est l'étude du canal de propagation près d'une interface pour optimiser la conception des réseaux de capteurs près du sol ou enfouis. Des modèles analytiques de propagation d'ondes de surface basés sur la formulation de Sommerfeld ont été développés à cette fin. Des conditions de propagation particulières aux fréquences microondes et millimétriques ont été mises en évidence afin d'augmenter la distance de communication entre capteurs et d'améliorer l'autonomie énergétique du réseau. L'idée novatrice consiste à texturer le sol (revêtement métallisé présentant des motifs périodiques) à l'échelle d'un bâtiment en respectant certaines conditions d'impédance de surface.
Un second volet est l'étude théorique du comportement d'antennes élémentaires magnétiques ou électriques implantées dans le corps (capsules ingérés ou implants) ou positionnées à la surface du corps (réseau BAN) à 400 MHz et 2.4 GHz. A cette fin, on a développé en modes sphériques les fonctions de Green dyadiques de structures multicouche de sphères diélectriques à pertes imbriquées, concentriques ou non. Ces sphères sont utilisées pour modéliser le corps (muscle, graisse, peau) et les organes.
Toujours dans le cadre des BAN, les premiers modèles analytiques de la propagation d'ondes rampantes sur le corps humain et une nouvelle méthode de mesure d'efficacité d'antennes miniatures sur le corps ont été validés à 2.4 GHz. D'autre part, on s'est intéressé à l’utilisation du couplage magnétique pour la localisation d'une gélule ingérable (40 MHz) à des fins de suivi thérapeutique. Il s'agissait de développer des antennes implantées miniatures et des boucles lecteur en surface de corps avec un coefficient de couplage optimal quelque soit l'orientation de la gélule.
La modélisation statistique et l'analyse des incertitudes est un outil complémentaire à la modélisation électromagnétique pour les milieux complexes présentant une grande variabilité statistique géométrique ou structurelle. Les techniques utilisées ont pour but de donner plus de signification aux résultats d'une étude, mieux définir le domaine de validité de l'approche ou prévoir la défaillance du système. Ces techniques ont été utilisées à ESYCOM pour étudier l'impact des incertitudes liées à 1/ l'architecture des bâtiments sur l'estimation du champ électromagnétique dans une ville ou 2/ la distribution de cônes de silicium sur la réflexion de la lumière par du black silicon. On l'envisage également dans la propagation d'ondes radio dans des milieux granulaires, comme les balasts, ou dans le sable, sujets traités par la thématique "Architectures faible consommation et traitements " dans le cadre de la communication Ultra large bande en radio impulsionnelle 3-10 GHz de capteurs enfouis.
Notons que le thème conserve une expertise autour des lignes de transmission et des fonctions passives associées (filtres), en particulier les fonctions faibles pertes réalisées à l’aide de la technologie PGL (Planar Goubau Line) destinées à des applications sécurisées (faible portée à 60GHz) et des systèmes communicants sans fil à haut débit en tout point des bâtiments. Des études sur les lignes inversées sur silicium et sur verre existent également.
Les composants photoniques/micro-ondes seront utilisés dans les réseaux de communication à ultra haut débit, faible coût et faible consommation qui permettront d’établir les futures communications intra-bâtiment et/ou inter-bâtiment au sein de la ville. Ces futures communications s’effectueront à des fréquences de plus en plus élevées (millimétrique, THz) et seront associées à des formats de modulation complexes (FBMC, LTE, 5G…) et large bande pour obtenir de l’ultra haut débit en tout point de la ville. C'est donc à travers les systèmes communicants pour la ville que se fait le lien avec le projet de laboratoire, en particulier dans la conception et la modélisation des composants photoniques/microondes.
Le positionnement stratégique de cette activité est centré sur la thématique des communications et de la localisation de proximité, associées à des architectures à faible consommation. Les applications visées sont la mobilité, la connectivité, la localisation et la sécurité en milieu urbain.
Pour atteindre ces objectifs assez ambitieux, sur lesquels d’autres équipes travaillent en France, ou dans le monde, il y a des verrous techniques et technologiques à lever. Nous pouvons citer par exemple, la modélisation des effets non linéaires permettant d’optimiser les architectures d’émission-réception,l’étude de techniques de linéarisation et de corrections de défauts dans des architectures complexes ; et en combinant la montée en fréquences, la mise en place de nouveaux modes de communications en bande millimétrique pour la détection et les communications à haut débit.
