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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes

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84documents trouvés

17122
26/04/2017

Optimisation de blocs constitutifs d’un convertisseur A/N pipeline en technologie CMOS 0.18µm pour utilisation en environnement spatial

L.PERBET

OSE

Doctorat : INP de Toulouse, 26 Avril 2017, 196p., Président: J.D.LEGAT, Rapporteurs: Y.DEVAL, P.NOUET, Examinateurs: O.BERNAL, Directeur de thèse: H.TAP , N° 17122

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01524918

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Abstract

Imaging is a major issue in the observation of the Universe and the Earth from space, whether in the visible domain or not. Thus, in the spatial field, data is often gathered by a CCD (charge-Coupled Device) sensor, that supplies analog voltages to an Analog-to-Digital Converter (ADC), which outputs will be delivered to a processing chain, and then sent to earth. Consequently, ADCs are key elements in satellite imaging. Their precision and speed will indeed define the quality and the representativeness of the binary signal. It is then crucial to perform a high quality (speed & precision) conversion of the data, while making sure that the ADC can cope with the harsh irradiative environment. The purpose of this thesis is to improve the robustness to the space environment (hardening), while optimizing the performances, of several elementary devices that compose a 14 bits, 5MS/s pipeline ADC, made with the XFAB 180nm technology. The three targeted functions are the switches (especially the problems linked to coping with the charge injection problems in a space environment), the comparators (hardening) and the switched-capacitor amplifier (gain boosting through a predictive architecture with no penalty on the power consumption).

Résumé

L’imagerie constitue un axe majeur de l’exploration de l’univers et de la Terre depuis l’espace, que l’on se trouve dans le domaine du visible ou non. Ainsi dans le domaine spatial, les données sont le plus souvent récupérées par un capteur CCD (Charge-Coupled Device, ou Dispositif à Transfert de Charge (DTC)) qui fournit des tensions analogiques vers un convertisseur analogique-numérique (CAN), dont la sortie sera transmise à une chaîne de traitement, puis envoyée sur terre. Ainsi, les CAN sont des éléments clés dans l’imagerie par satellite. De leur précision et de leur vitesse va dépendre la qualité de la représentativité de la chaîne de signaux binaires. Il est donc crucial de réaliser une conversion de données de grande qualité (vitesse, précision) tout en s’assurant de la résistance du CAN à l’environnement radiatif. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la robustesse à l’environnement spatial, tout en optimisant les performances, de plusieurs fonctions élémentaire d’un convertisseur analogique-numérique de type pipeline 14bits, 5MS/s, réalisées en technologie XFAB 0,18μm. Les trois fonctions ciblées sont les interrupteurs (notamment la résolution des problèmes liés au phénomène d’injection de charges en environnement spatial), les comparateurs (durcissement) et l’amplificateur à capacités commutées (amélioration du gain par une technique prédictive sans pénaliser la puissance consommée).

Mots-Clés / Keywords
Amplificateur; ASIC; CMOS; Comparateur; Convertisseur analogique-numérique; Environnement spatial; Interrupteur;

139793
16583
05/12/2016

Hardware implementation of metric algorithms for a self-mixing laser interferometric sensor

S.AMIN, U.ZABIT, T.HUSSAIN, O.BERNAL

Riphah, OSE

Manifestation avec acte : International Multi-Topic Conference ( INMIC ) 2016 du 05 décembre au 06 décembre 2016, Islamabad (Pakistan), Décembre 2016, 6p. , N° 16583

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01474819

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Abstract

Self-mixing interferometry (SMI) has been widely used for sensing of diverse vibration, velocity, displacement, biomedical and flow applications. The simplicity of the SMI configuration enables the design of a low-cost, self-aligned and compact sensor with a small optical component count. SMI occurs when a small portion of emitted coherent optical beam is backscattered by the remote target and re-enters the laser cavity, causing interference. Under SMI, the employed laser diode simultaneously acts as a laser source, coherent detector, as well as micro-interferometer. This simple sensor design configuration, however, comes at a price of complex signal processing algorithms, because the SMI signals have rich characteristics as a function of optical feedback level. The purpose of this research work is to implement two of these algorithms, time-frequency signal processing (TFSP) and Consecutive samples based Unwrapping (CSU) in hardware so that real-time displacement and vibration measurements with nanometric precision can be retrieved from the SM sensor in an embedded, autonomous manner. We implemented and tested both algorithms on a Xilinx ZYBO Zynq 7000 development board using VHDL. Results show that our design of CSU algorithm is capable of operating at 432 MHZ minimum clock frequency and latency of 3 clock cycles. Our CSU design consumes 159 slice registers and 215 LUT's, and draws 0.70 watts of onboard power. While the design of TFSP algorithm is capable of operating at 363.3 MHZ clock frequency and latency of 570k clock cycles. TFSP design consumes 5056 slice registers and 5192 LUT's, and draws 0.8 watts of onboard power.

139933
16534
30/10/2016

A multimode fiber refractive index sensor

H.APRIYANTO, G.RAVET, O.BERNAL, M.CATTOEN, F.LIZION, HC.SEAT, V.CHAVAGNAC

OSE, IDEA, GET- UMR 5563

Manifestation avec acte : IEEE SENSORS 2016 du 30 octobre au 02 novembre 2016, Orlando (USA), Octobre 2016, 3p. , N° 16534

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01460075

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Abstract

We present a simple refractive index sensor based on multimode fibers realized by stripping three different lengths of cladding. We theoretically explain and experimentally validate three mechanisms occurring in the multimode fiber for sensing surrounding refractive index. This sensor has been demonstrated at 1550 nm for a wide range of refractive index variation from 1.3164 to 1.608. Our sensor is very sensitive for measuring refractive index values lower than but close to the refractive index value of the fiber core.

139057
16156
01/10/2016

Optical feedback interferometry for microscale-flow sensing study: numerical simulation and experimental validation

Y.ZHAO, J.PERCHOUX, L.CAMPAGNOLO, T.CAMPS, R.ATASHKHOOEI, V.BARDINAL

MICA, OSE, UPC

Revue Scientifique : Optics Express, Vol.24, N°21, 23849p., Octobre 2016 , N° 16156

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01446494

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Abstract

Optical feedback interferometry (OFI) performance for microscale-flow sensing is studied theoretically and experimentally. A new numerical modeling approach for OFI flow meter spectrum reproduction is presented in this work to study the optical effect on the signal due to the micro-scale channel geometry. Two well-defined frequency peaks are found in the OFI spectrum, this phenomenon can be attributed to the reflection of the forward scattered light on the channel rear interface. The flow rate measurement shows good accuracy over a range of fluid velocities from 16.8 mm/s to 168 mm/s, thus providing a promising tool to study and to optimize the OFI microfluidic sensor system.

138156
16367
29/09/2016

Implementation of optical feedback interferometry for sensing applications in fluidic systems

E.E.RAMIREZ MIQUET

OSE

Doctorat : INP de Toulouse, 29 Septembre 2016, 139p., Président: A.HUMEAU HEURTIER, Rapporteurs: E.LACOT, A.LE DUFF, Examinateurs: K.LOUBIERE, Directeurs de thèse: J.PERCHOUX, O.SOTOLONGO COSTA, Membre invité: T.BOSCH , N° 16367

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01389536

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Résumé

L'interférométrie par réinjection optique est une technique de mesure dont l'implémentation pour l'interrogation de systèmes fluidiques est assez récente. Le principe de mesure est basé sur la perturbation des paramètres d'émission du laser induite par la réinjection dans la cavité laser de lumière rétro - diffusée par une cible distante. La technique p ermet le développement de capteurs compact et non - invasifs qui mesurent différents paramètres liés aux déplacements de la cible. En particulier, les interféromètres par réinjection optique prennent avantage de l'effet Doppler pour mesurer la vitesse de tra ceurs dans les liquides en écoulement. Cet aspect important de la technique de réinjection optique la rend adaptée à une grande variété d'applications dans les domaines du génie chimique et du biomédical où un contrôle des écoulements est requis. Cette thè se présente l'implémentation de capteurs basés sur la réinjection optique pour différents systèmes fluidiques où la vitesse locale d'écoulement ou le débit sont directement mesurés. Nous présentons une étude centrée sur les applications où la réinjection o ptique est utilisée pour la mesure du débit à la micro - échelle avec en particulier une analyse de la robustesse des méthodes de traitement du signal propres aux régimes de diffusion simple et de diffusion multiple. Par ailleurs, nous présentons des résulta ts expérimentaux de mesures ex vivo où le capteur par réinjection optique est proposé comme alternative pour la myographie. Nous présentons également une implémentation temps réel pour l’estimation du débit instantané d'écoulements dynamiques dans une conf iguration milli - fluidique. Un système semi - automatisé de détection de particule unique dans un micro - canal est proposé et démontré. Enfin, un capteur basé sur la réinjection optique est implémenté pour la caractérisation des interactions entre deux fluides immiscibles en écoulement à micro - échelle et les mesures réalisées sont comparées à un modèle développé afin de décrire le comportement hydrodynamique des deux fluides dans un micro - réacteur. Le manuscrit décrit une contribution importante pour l'implémen tation de capteur par réinjection optique pour des applications fluidiques et en particulier micro - fluidiques. Il présente également des résultats expérimentaux remarquables qui ouvrent de nouveaux horizons pour l'interférométrie à réinjection optique.

Abstract

Optical feedback interferometry is a sensing technique with relative recent implementation for the interrogation of fluidic systems. The sensing principle is based on the perturbation of the laser emission parameters induced by the reinjection in the laser cavity of light back-scattered from a distant target. The technique allows for the development of compact and non-invasive sensors that measure various parameters related to the motion of moving targets. In particular, optical feedback interferometers take advantage of the Doppler effect to measure the velocity of tracers in flowing liquids. These important features of the optical feedback interferometry technique make it well-suited for a variety of applications in chemical engineering and biomedical fields, where accurate monitoring of the flows is needed. This thesis presents the implementation of optical feedback interferometry based sensors in multiple fluidic systems where local velocity or flow rate are directly measured. We present an application-centered study of the optical feedback sensing technique used for flow measurement at the microscale with focus on the reliability of the signal processing methods for flows in the single and the multiple scattering regimes. Further, we present experimental results of ex vivo measurements where the optical feedback sensor is proposed as an alternative system for myography. In addition we present a real-time implementation for the assessment of non-steady flows in a millifluidic configuration. A semi-automatized system for single particle detection in a microchannel is proposed and demonstrated. Finally, an optical feedback based laser sensor is implemented for the characterization of the interactions between two immiscible liquid-liquid flowing at the microscale, and the measurement is compared to a theoretical model developed to describe the hydrodynamics of both fluids in a chemical microreactor. The present manuscript describes an important contribution to the implementation of optical feedback sensors for fluidic and microfluidic applications. It also presents remarkable experimental results that open new horizons to the optical feedback interferometry.

Mots-Clés / Keywords
Optical feedback interferometry; Laser diodes; Microfluidics; Flow measurement; Doppler effect; Interférométrie par réinjection optique; Diode laser; Micro-fluidique; Mesure de débit; Effet doppler;

137973
16586
20/09/2016

Analysis of the different signal acquisition schemes of an optical feedback based laser diode interferometer

J.AL ROUMY

OSE

Doctorat : INP de Toulouse, 20 Septembre 2016, 182p. , N° 16586

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01418472

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Abstract

The optical feedback interferometry phenomenon occurs when a portion of the output optical power is back-scattered from a remote target and coupled into the laser cavity to vary the laser’s emission properties (frequency and power mostly). Thus, this scheme results in a compact, self-aligned and contact-less interferometric sensor. Recent applications of optical feedback interferometer in the domains of microfluidics or acoustics have shown promising results and open new fields of researches. However in these applications, the amplitude of the sensing signal is extremely small due to the weakness of the backscattered power changes that are measured. In this thesis, an analytical model that describes the laser injection current and temperature dependence of the optical feedback interferometry signal strength for a single-mode laser diode has been derived from the Lang and Kobayashi rate equations. The model has been developed for all the known signal acquisition methods of the optical feedback interferometry scheme: from the package included monitoring photodiode, by collection of the laser power with an external photodetector and by amplification of the variations in the laser junction voltage. The model shows that both the photodiodes and the voltage signals strengths are related to the laser slope efficiency, which itself is a function of the laser injection current and of the temperature. Moreover, the model predicts different behaviors of the photodiodes and the voltage signal strengths with the change of the laser injection current and the temperature; an important result that has been proven by conducting measurements on all three signals for a wide range of injection current and temperature. Therefore, this simple model provides important insights into the radically different biasing strategies required to achieve optimal sensor sensitivity for the different interferometric signal acquisition schemes. In addition, the phase and amplitude relationships between the external and the in-package photodiode signals have been investigated theoretically and experimentally demonstrating unexpected results. Based on our model and on experimental observations, a critical study has been performed on the impact of the combination of the three signals in the signal processing strategy in order to improve the sensor sensibility to low amplitude optical feedback.

Résumé

Le phénomène d’interférométrie par réinjection optique se produit lorsqu’une portion de la puissance optique du laser est rétrodiffusée par une cible distante puis réinjectée dans la cavité laser ce qui affecte les propriétés d’émission du laser (fréquence et puissance en particulier). Ce principe résulte alors en un capteur interférométrique compact, auto-aligné et sans contact. Des applications récentes des capteurs par réinjection optique dans les domaines de la microfluidique et de l’acoustique ont montré des résultats prometteurs et ouvert de nouveaux domaines de recherche. Pourtant, dans le cadre de ces applications, l’amplitude du signal est extrêmement faible à cause de la faible amplitude des variations de la puissance rétrodiffusée qui est mesurée. Dans cette thèse, un modèle analytique décrivant la dépendance de l’amplitude du signal issu d’une diode laser monomode au courant d’injection et à la température est développé à partir des équations d’évolution de Lang et Kobayashi. Le modèle a été développé pour toutes les méthodes connues d’acquisition du signal interférométrique par réinjection optique : par la photodiode de monitoring incluse dans le boîtier de la diode laser, par la captation de la puissance optique au moyen d’un photodétecteur externe et par l’amplification de la tension aux bornes de la diode laser elle-même. Le modèle démontre que les signaux des photodiodes et de la tension sont liés à l’efficacité externe de la diode laser, qui elle-même est fonction du courant injecté et de la température. Qui plus est, le modèle prédit une évolution très différente de l’amplitude de ces différents signaux en fonction du courant d’injection ou de la température. Un résultat remarquable, confirmé par une campagne de mesures pour ces trois types de signaux sur une large plage de courants d’injection et de températures. Ainsi ce modèle simple permet une compréhension nouvelle des stratégies de polarisation très différentes de la diode laser permettant d’obtenir une sensibilité optimale du capteur dans les différents schémas d’acquisition du signal. Par ailleurs, les relations entre la phase et l’amplitude des signaux issus des photodiodes externes et de monitoring ont été étudiées sur le plan théorique et expérimental ce qui a permis de révéler des résultats inattendus. À partir du modèle et basé sur des observations expérimentales, une étude critique a été menée sur l’impact de la combinaison des trois signaux dans la stratégie de traitement du signal afin d’améliorer la sensibilité du capteur aux réinjections optiques de faible amplitude.

Mots-Clés / Keywords
Modélisation; Equations d'évolution; Capteur; Interférométrie par réinjection optique; Diode laser;

140073
16372
01/08/2016

Optical feedback interferometry for velocity measurement of parallel liquid-liquid flows in a microchannel

E.E.RAMIREZ MIQUET, J.PERCHOUX, K.LOUBIERE, C.TRONCHE, L.PRAT, O.SOTOLONGO-COSTA

OSE, LGC, I2C, UAEM

Revue Scientifique : Sensors, Vol.16, N°8, 1233p., Août 2016 , N° 16372

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01382068

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Abstract

Optical feedback interferometry (OFI) is a compact sensing technique with recent implementation for flow measurements in microchannels. We propose implementing OFI for the analysis at the microscale of multiphase flows starting with the case of parallel flows of two immiscible fluids. The velocity profiles in each phase were measured and the interface location estimated for several operating conditions. To the authors knowledge, this sensing technique is applied here for the first time to multiphase flows. Theoretical profiles issued from a model based on the Couette viscous flow approximation reproduce fairly well the experimental results. The sensing system and the analysis presented here provide a new tool for studying more complex interactions between immiscible fluids (such as liquid droplets flowing in a microchannel).

138003
16562
26/06/2016

3-axis high Q MEMS accelerometer with simultaneous damping control

L.CIOTIRCA, O.BERNAL, H.TAP, J.ENJALBERT, T.CASSAGNES

OSE, NXP -Semiconductors

Manifestation avec acte : IEEE International New Circuits and Systems Conference ( NEWCAS ) 2016 du 26 juin au 29 juin 2016, Vancouver (Canada), Juin 2016, 4p. , N° 16562

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01488286

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Abstract

The increasing demand of consumer market sensors involves a continuous development for the die size, cost and performances. In this context, the integration of both a 3-axis MEMS accelerometer and a gyroscope within the same low pressure cavity becomes attractive. Such a packaging results in MEMS with high quality factor Q, which reduces Brownian noise, thereby improving the achievable precision. However, contrary to gyroscopes, in such a configuration, the MEMS accelerometers need to be damped prior to measurement. Therefore, this paper presents a new damping control architecture for such high Q capacitive accelerometers. Damping is ensured by inserting electrostatic force feedback (EFF) phases between measurement phases. By simultaneously damping 3 axis of acceleration, the transducer settling time is improved. Model simulations results prove damping efficiency and figure out a tradeoff between system sampling frequency and circuit complexity.

139324
16371
01/05/2016

Current developments on optical feedback interferometry as an all-optical sensor for biomedical applications

J.PERCHOUX, A.QUOTB, R.ATASHKHOOEI, F.AZCONA, E.E.RAMIREZ MIQUET, O.BERNAL, A.JHA, A.LUNA ARRIAGA, C.YANEZ, J.CAUM, T.BOSCH, S.ROYO

OSE, UPC

Revue Scientifique : Sensors, Vol.16, N°5, 694p., Mai 2016 , N° 16371

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01389568

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Abstract

Optical feedback interferometry (OFI) sensors are experiencing a consistent increase in their applications to biosensing due to their contactless nature, low cost and compactness, features that fit very well with current biophotonics research and market trends. The present paper is a review of the work in progress at UPC-CD6 and LAAS-CNRS related to the application of OFI to different aspects of biosensing, both in vivo and ex vivo. This work is intended to present the variety of opportunities and potential applications related to OFI that are available in the field. The activities presented are divided into two main sensing strategies: The measurement of optical path changes and the monitoring of flows, which correspond to sensing strategies linked to the reconstruction of changes of amplitude from the interferometric signal, and to classical Doppler frequency measurements, respectively. For optical path change measurements, measurements of transient pulses, usual in biosensing, together with the measurement of large displacements applied to designing palliative care instrumentation for Parkinson disease are discussed. Regarding the Doppler-based approach, progress in flow-related signal processing and applications in real-time monitoring of non-steady flows, human blood flow monitoring and OFI pressure myograph sensing will be presented. In all cases, experimental setups are discussed and results presented, showing the versatility of the technique. The described applications show the wide capabilities in biosensing of the OFI sensor, showing it as an enabler of low-cost, all-optical, high accuracy biomedical applications.

138001
15478
26/11/2015

Real-time algorithm for versatile displacement sensors based on self-mixing interferometry

A.LUNA ARRIAGA, F.BONY, T.BOSCH

OSE

Rapport LAAS N°15478, doi 10.1109/JSEN.2015.2478755, Novembre 2015, 8p.

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01226909

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Abstract

This paper presents a general displacement reconstruction algorithm for sensors based on self-mixing (SM) interferometry suitable to work at different optical feedback conditions. The approach relies on a robust phase observation through analytic signals for the fringe detection stage, while the motion of the pointed target is retrieved by a self-adapting filter in a piece-wise basis. The implementation for real-time calculations demonstrates the feasibility of robust SM sensors for different usage conditions without the need of modifying the base device configuration.

135696
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