Passive Micro-Sensors Based on Electromagnetic Transduction Principle for Remote pressure sensing
Capteurs passifs à transduction électromagnétique pour la mesure sans fil de la pression
Résumé
The last few years have seen a proliferation of autonomous wireless sensors (pressure, acceleration, temperature) based on the availability of small, high-performance sensing elements and new low-cost electronic communication circuits between 300MHz and 3GHz. These components meet the growing demand for autonomous communicating sensor networks for distributed monitoring, analysis and diagnostic applications. However, the development of these wireless communicating sensor networks has highlighted an intrinsic limitation to the use of most existing measurement cells, linked to the energy autonomy of the system. Most of the research aimed at increasing the autonomy of sensors focuses on reducing the consumption of sensitive cells and electronic circuits, and on the availability of on-board energy. Although attractive, all these potential solutions have major drawbacks, such as the complexity of the devices to be implemented, the low currents available and the small amount of energy stored. This thesis focuses on the specific case of pressure sensors and adopts a completely different approach. The aim of this work is to completely rethink the sensor's operating principle by developing a new, completely passive transduction mode that requires no on-board energy and can be interrogated at great distances (several metres to several tens of metres) by radar. This mode, known as 'electromagnetic transduction', is based on modifying the resonance frequency of a microwave function by the quantity to be measured. This original transduction method converts the effect of a pressure gradient into a frequency shift. In the first stage, a theoretical validation of the operating principle using electromagnetic modelling is presented. Next, the measurement cell is sized, taking into account both the electromagnetic aspects of the resonant circuit and the mechanical aspects of the technological constraints on silicon membrane structures. Simplified electromagnetic simulations were then carried out, as well as simulations taking into account the actual deformation of the membrane, to validate the frequency shift by simulation and thus validate the sensor's operating principle. The next step was to identify the clean-room technological processes that would enable the first prototypes of the sensor to be produced. Once the measurement cells had been manufactured, RF measurements were carried out to confirm the simulation results. Then, using a measurement bench specially dedicated to this type of sensor, RF measurements combined with pressure measurements were carried out to characterise the prototypes under pressure and extract their sensitivity. Finally, perspectives are opened up on the wireless and radar interrogation aspects of the sensor.
Depuis quelques années on assiste à la prolifération de capteurs (pression, accélération, température) autonomes sans fil qui s'appuient sur la disponibilité d'une part d'éléments sensibles petits et performants et d'autre part sur de nouveaux circuits électroniques de communication à faible coût entre 300MHz et 3GHz. Ces composants répondent à la demande croissante pour des réseaux de capteurs communicants autonomes pour des applications distribuées de surveillance, d'analyse ou encore de diagnostic. Cependant, le développement de ces réseaux de capteurs communicants sans fil a mis en évidence une limitation intrinsèque de l'utilisation de la plupart des cellules de mesures existantes liée à l'autonomie énergétique du système. La majorité des recherches visant à augmenter l'autonomie des capteurs se focalisent d'une part sur la réduction de la consommation des cellules sensibles et des circuits électroniques et d'autre part sur la disponibilité de l'énergie embarquée. Bien que séduisantes, toutes ces solutions potentielles présentent des inconvénients majeurs tels que la complexité des dispositifs à mettre en œuvre, des faibles courants disponibles ou encore une quantité d'énergie stockée peu importante. Dans le cadre de cette thèse, on s'est intéressé au cas particulier des capteurs de pression et on a adopté une toute autre approche. En effet, l'objectif de ce travail consiste à repenser complètement le principe de fonctionnement du capteur en développant un nouveau mode de transduction complètement passif qui ne nécessite pas d'énergie embarquée et qui peut être interrogé à grande distance (plusieurs mètres à quelques dizaines de mètres) par radar. Ce mode baptisé `transduction électromagnétique' est basé sur la modification de la fréquence de résonance d'une fonction hyperfréquence par la grandeur à mesurer. Cette méthode originale de transduction convertit l'effet d'un gradient de pression en un décalage en fréquence. Dans une première étape, une validation théorique, par modélisation électromagnétique, du principe de fonctionnement est présentée. Ensuite, le dimensionnement de la cellule de mesure est réalisé en tenant compte, d'une part de l'aspect électromagnétique lié au circuit résonant, et d'autre part de l'aspect mécanique relatif aux contraintes technologiques pour les structures avec membrane silicium. Par la suite, des simulations électromagnétiques simplifiées ainsi que des simulations tenant compte de la déformation réelle de la membrane ont été réalisées pour valider, par simulation, le décalage en fréquence et ainsi valider le principe de fonctionnement du capteur. L'étape suivante a permis d'identifier les procédés technologiques en salle blanche qui ont permis de réaliser les premiers prototypes du capteur. Une fois les cellules de mesures fabriquées, des mesures RF ont été réalisées et viennent confirmer les résultats de simulations. Ensuite, en utilisant un banc de mesure spécialement dédié à ce type de capteurs, des mesures RF combinées avec des mesures en pression ont été menées pour la caractérisation en pression des prototypes et pour en extraire la sensibilité. Enfin, des perspectives sont ouvertes sur les aspects sans-fil et interrogation Radar du capteur
Domaines
Electromagnétisme
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