Madame Hanan THABET / PhD

Les avancés récentes dans les domaines de la microélectronique, de la micromécanique ou microsystèmes, et des technologies radiofréquences de faible puissance ont permis de produire des composants miniatures, peu coûteux, de basse puissance, autonomes, communicants, qui peuvent observer et réagir aux changements de leur environnement. Ces derniers, appelés capteurs sans fil ou capteurs radio fréquences (capteurs RF), intègrent : une unité de captage chargée de capter des grandeurs physiques (chaleur, humidité, pression, vibrations…) et de les transformer en grandeurs numériques, une unité de traitement et de stockage de données, et un module de transmission sans fil. De ce fait, les capteurs sans fil sont de véritables systèmes embarqués. L'utilisation de plusieurs d'entre eux, en vue de collecter et transmettre des données environnementales vers un ou plusieurs points de collecte, d'une manière autonome, forme un réseau de capteurs sans fil. Les capteurs sans fil à faible puissance sont depuis quelques années un important thème de recherche et ont maintenant déclenché une demande croissante de réseaux de capteurs pour des applications commerciales. Ces réseaux de capteurs soulèvent un intérêt grandissant de la part des industriels ou d'organisations civiles où la surveillance et la reconnaissance de phénomènes physiques ou chimiques sont une priorité. Ces réseaux ont un intérêt particulier pour les applications environnementales, domotiques, médicales, militaires et bien sûr les applications liées à la surveillance des infrastructures critiques. Or, de part leurs caractéristiques (contrainte d'énergie, capacité réduite des noeuds, nombre important de capteurs,...), la réduction de la puissance consommée par ces capteurs constitue un des défis scientifiques et techniques d'aujourd'hui. Le développement spectaculaire des communications sans fil au cours des dernières années a conduit à une recherche de technologies robustes, fiables, à faible consommation et à des coûts réduits surtout dans le domaine des réseaux de capteurs sans fil. Ceci a nécessité une approche différente dans la façon de concevoir les systèmes radio d'émission/réception. La direction suivie pour réduire le coût et la consommation a été de diminuer le nombre de composants discrets autour de la puce radio et de trouver des architectures radio adéquates. Ceci implique notamment d'avoir recours aussi largement que possible à des technologies traditionnelles, de type CMOS. Actuellement, les capteurs RF constituent un thème de recherche très dynamique, grâce au challenge de la conception de capteurs communicants, entièrement autonomes, de taille réduite et de consommation très faible. Les réseaux de capteurs devront être autonomes pour plusieurs années. Ce point est particulièrement important. En effet, il est impossible d'effectuer des remplacements de batteries pour tous les capteurs d'un réseau qui peuvent être dans un environnement éventuellement difficile d'accès, comme dans les plafonds ou les murs de bâtiments, ou si les capteurs sont dans un environnement dangereux. Donc, la durée de vie très élevée visée pour les réseaux de capteurs nécessite des précautions de conception particulièrement rigoureuses. En fait, l'intégration de la partie numérique et la partie RF sur la même puce est une voie justifiée. Ceci a donné naissance au concept de SoC (System on Chip) qui permet de réduire d'avantage le nombre de composants externes. L'exploitation massive des techniques de la microélectronique permet de développer sur une puce de silicium de nouveaux capteurs de très faibles dimensions, et plusieurs capteurs sur un même wafer, et parfois même plusieurs capteurs de type différents, ce qui constitue un pas important vers la production de masse à coût réduit et la reproductibilité des caractéristiques d'un capteur à l'autre. L'évolution de la nouvelle génération de capteurs RF intégrés de haute performance basé sur le micro-usinage sur silicium s'est focalisée, jusqu'à maintenant, sur le besoin d'avoir une intégration monolithique du capteur avec une électronique embarquée et dédiée au traitement de l'information du capteur. Cette électronique devra être à faible coût de fabrication et versatile, c'est pourquoi la technologie de fabrication des Circuits Intégrés (CI) CMOS sera retenue. Le faible coût s'ajoute au savoir-faire qui est assez avancé dans le cas des techniques de fabrication des CI CMOS. Cette intégration permettra de miniaturiser le système, d'améliorer ses performances, et d'augmenter la sensibilité et en particulier la diminution du bruit, grâce à la réduction des capacités parasites dues aux interconnexions. Dans ce contexte, le laboratoire MicroElectroMechanical Systems (METS) de l'Ecole Nationale d'Ingénieurs de Sfax (ENIS) et l'Institut Materiaux Microelectronique et Nanosciences de Provence (IM2NP) collaborent sur un projet qui consiste à développer un prototype de capteur microsystème RF autonome et intelligent afin de mettre en place un réseau de capteurs sans fils dans un environnement industriel. Ces capteurs s'inscrivent dans l'optique d'une utilisation de la technologie CMOS standard, bas coût, au sein des parties radiofréquences de la puce radio visant l'intégration de la partie numérique et RF sur la même puce. Le METS de Sfax est chargé de l'étude et de la conception de la partie RF. Le module RF est formé principalement d'un émetteur-récepteur radiofréquence à étalement de spectre par saut de fréquence (FHSS : frequency-hopped spread-spectrum) fonctionnant dans la bande européenne 863–870 Mhz et destiné à des applications sans fil, courte portée, bien adapté au réseau de capteurs. Le choix du capteur à intégrer a été fixé sur un capteur qui devrait communiquer avec d'autres capteurs similaires à travers un réseau local et dédiés à une gamme d'applications couvrant les réseaux de capteurs utilisés dans les systèmes d'alarme et de surveillance, la commande et le contrôle industriels, la mesure automatique et dans l'automatisation domestique. L'émetteur-récepteur est conçu pour la modulation BFSK (binary frequency-shift keying), communiquant un débit maximum de 20 Kb/s. Il se compose d'une unité de détection, une unité de traitement et une unité d'émission-réception à conversion directe utilisant la technique FHSS. L'unité de traitement contrôle les protocoles de communication et traite le signal issu du capteur. L'unité d'émission-réception assure la communication entre le nœud et le réseau. Le sujet de thèse intitulée validation de la chaîne d'émission (au niveau dessin des masques) pour la conception d'un capteur RF autonome et intelligent consiste à concevoir la partie radiofréquence dans la chaîne d'émission sans fils du capteur RF et spécialement l'amplificateur de puissance, le mélangeur (up-converter) et l'oscillateur contrôlé en tension (VCO).