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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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17124
22/05/2017

A MEMS approcach to determine the biochemical oxygen demand (BOD) of wastewaters

L.RECOULES, A.MIGAOU, X.DOLLAT, G.THOUAND, A.M.GUE, A.BOUKABACHE

MILE, I2C, Nantes

Rapport LAAS N°17124, Mai 2017, 13p.

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139833
17131
18/05/2017

Capteurs intelligents : quelles méthodologies pour la fusion de données embarquée?

A.VALADE

S4M

Doctorat : INSA de Toulouse, 18 Mai 2017, 121p., Président: T.CAMPS, Rapporteurs: V.BLONDEAU-PATISSIER, C.TANOUGAST, Examinateurs:R.FLOQUET , Directeurs de thèse: J.Y.FOURNIOLS, G.SOTO-ROMERO , N° 17131

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Abstract

The work detailed in this document is the result of a collaborative effort of the LAASCNRS in Toulouse and MEAS-France / TE Connectivity during a period of three years. The goal here is to develop a methodology to design smart embedded sensors with the ability to estimate physical parameters based on multi-physical data fusion. This strategy tends to integrate sensors technologies, currently dedicated to lab measurements, in low powered embedded systems working in imperfects environments. After exploring model oriented methods, parameters estimations and Kalman filters, we detail various existing solutions upon which we can build a valid response to multiphysical data fusion problematics, for linear systems with the Kalman Filter, and for non-linear systems with the Extended Kalman Filter and the Unscented Kalman Filter. Then, we will synthesize a filter for hybrid systems, having an linear evolution model and a non-linear measurement model. For example, using the best of the two worlds in order to obtain the best complexity/precision ratio. Once we selected the estimation method, we detail computing power and algorithm complexity problematics in order to find available optimizations we can use to assess the usability of our system in a low power environment. Then we present the developed methodology application to the UQS sensor, sold by TE Connectivity, study case. This sensor uses near infra-red spectroscopy to determine the urea concentration in a urea/water solution, in order to control the nitrogen-oxyde depolluting process in gasoline engines. After a design principles presentation, we detail the model we created in order to represent the system, to simulate its behavior and to combine the measurement data to extract the desired concentration. During this step, we focus on the obstacles of our model calibration and the deviation compensation, due to working conditions or to components aging process. Based on this development, we finally designed the hybrid models addressing the nominal working cases and the model re-calibration during the working duration of the product. After this, we presented obtained results, on simulated data, and on real-world measured data. Finally, we enhanced the methodology based on tabulated “black box” models which are easier to calibrate and cheaper to process. In conclusion, we reapplied our methodology to a different motion capture sensor, to compile all possible solutions and limits.

Résumé

Les travaux de thèse présentés ici sont le fruit d’un travail collaboratif effectué entre le LAAS-CNRS de Toulouse et l’entreprise MEAS-France / TE Connectivity sur une durée de trois ans. L’objectif est ici de mettre en place une méthodologie permettant la réalisation de capteurs embarqués intelligents capables d’estimer des paramètres physiques à partir de la fusion de données multi-physiques, cette stratégie devant permettre l’intégration de capteurs, jusqu’alors réservés aux mesures en laboratoire dans des environnement défavorables, au sein de systèmes embarqués disposant de faibles puissances de calculs. Après une exploration des méthodes liées à la modélisation, l’estimation de paramètres et les filtres de Kalman, nous détaillons différentes solutions existantes sur lesquelles nous appuyer pour répondre à la problématique de la fusion de données multi-physiques, pour les systèmes linéaires, avec le filtre de Kalman, les systèmes non-linéaires avec les filtres de Extended Kalman Filter, et Unscented Kalman Filter. Puis nous synthétisons un filtre pour les systèmes hybrides, présentant par exemple une évolution linéaire et une mesure non-linéaire, utilisant le meilleur des deux parties afin de tendre vers le meilleur compromis complexité/précision. Une fois la méthode d’estimation sélectionnée, nous nous attardons sur les problématiques liées à la puissance de calcul et à la complexité algorithmique, pour chercher les optimisations pouvant êtres mises en place afin de garantir le fonctionnement sur un système embarqué disposant d’une faible puissance de calcul. Nous exposons ensuite l’application de cette méthodologie sur le cas d’étude du capteur UQS, commercialisé par TE Connectivity, utilisant la spectroscopie proche infrarouge pour déterminer la concentration d’urée en solution dans le cadre de la régulation des systèmes de dépollution des oxydes d’azote sur les moteurs diesel. Après une présentation des principes de fonctionnement, nous présentons le modèle développé que nous avons dressé afin de représenter le système, de simuler son comportement et d’effectuer la fusion de mesures permettant d’extraire la concentration désirée. Au cours de cette étape, nous abordons les problématiques liées à la calibration du modèle, ainsi qu’à la compensation de dérives, qu’elles soient liées aux conditions d’utilisation ou au vieillissement des composants. En s’appuyant sur cette réflexion, nous dressons finalement les modèles hybrides nous permettant d’aborder les cas de fonctionnement nominaux, ainsi que les recalibrations du modèle au cours de la vie du produit. Après quoi, nous présentons les résultats obtenus, d’abord sur des données simulées, puis sur des données capturées sur un système réel, avant de proposer des pistes d’amélioration de la méthodologie en se basant sur des modèles tabulés en « boîte noire » qui permettent de faciliter l’étape de calibration tout en diminuant la charge de calcul. Finalement, nous généralisons la méthodologie par le biais d’une problématique de capture de mouvement, pour conclure sur les possibilités et les limites de la solution que nous avons proposée.

Mots-Clés / Keywords
Capteurs intelligents; Filtrage de Kalman; Fusion de données; Systèmes embarqués; Smart sensing; Kalman filter; Data fusion; Embedded systems;

139884
17097
12/04/2017

Approche méthodologique pluridisciplinaire pour l'observation de la prise en main de technologies numériques par des personnes âgées

N.VIGOUROUX, E.CAMPO, C.GRIMAUD, F.VELLA, E.BOUGEOIS

IRIT-UPS, S4M, AG2R La Mondiale, LERASS

Rapport LAAS N°17097, Avril 2017, 19p.

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139538
17093
12/04/2017

Design and evaluation of a connected insole to support healthy aging of frail patients at home

Y.CHARLON, A.PIAU, D.BRULIN, E.CAMPO

S4M, CHU Toulouse

Rapport LAAS N°17093, Avril 2017, 10p.

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139533
17094
12/04/2017

Design and evaluation of a smart insole: application for continuous monitoring of frail people at home

Y.CHARLON, E.CAMPO, D.BRULIN

S4M

Rapport LAAS N°17094, Avril 2017, 19p.

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139534
16457
01/03/2017

Dioxygen molecule adsorption and oxygen atom diffusion on clean and defective Aluminum (111) surface using first principles calculations

A.HEMERYCK, M.GUILTAT, M.BRUT, S.VIZZINI

M3, IM2NP

Revue Scientifique : Surface Science, Vol.657, pp.79-89, Mars 2017 , N° 16457

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01407658

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Abstract

First principles calculations are conducted to investigate kinetic behavior of oxygen species at the surface of clean and defective Al(111) substrate. Oxygen island, aluminum vacancy, aluminum sub-vacancy, aluminum ad-atom and aluminum terraces defects are addressed. Adsorption of oxygen molecule is first performed on all these systems resulting in dissociated oxygen atoms in main cases. The obtained adsorbed configurations are then picked to study the behavior of atomic oxygen specie and get a detailed understanding on the effect of the local environment on the ability of the oxygen atom to diffuse on the surface. We pointed out that local environment impacts energetics of oxygen atom diffusion. Close packed oxygen island, sub-vacancy and ad-atoms favor oxygen atom stability and decrease mobility of oxygen atom on the surface, to be seen as surface area for further nucleation of oxygen island.

138449
16464
20/02/2017

Controlled permeation of lidocaine hydrochloride using a smart drug delivery system

Y.TALBI, D.BRULIN, E.CAMPO, J.Y.FOURNIOLS

S4M

Manifestation avec acte : IASTED International Conference on Biomedical Engineering ( BioMed ) 2017 du 20 février au 22 février 2017, Innsbruck (Autriche), Février 2017, 7p. , N° 16464

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Abstract

Transdermal administration might be an interesting alternative to current routes of administration. It is noninvasive, avoids gastric side effects, and improves bioavailability of the molecules. However, due to the low permeability of the stratum corneum, a permeation enhancement strategy is required to make a large number of molecules suitable to this mode of administration. To overcome those limitations and deliver controlled drugs, a smart transdermal drug delivery system is designing. This paper focusses on the study of transdermal iontophoresis permeation of lidocaine hydrochloride (2%, w/w) across pig ear skin. In vitro iontophoresis experiments were conducted using Franz diffusion cells. Anodal iontophoresis was applied for 30 minutes at different current densities. Samples (1 mL) were withdrawn every 30 minutes from the receptor compartment and replaced with a fresh buffer and then analyzed using High Performance Liquid Chromatography (HPLC). Results highlight the relationship between current density, time of stimulation, and amount of lidocaine permeated.

139241
16480
10/02/2017

Fabrication and modeling of a capacitor microfluidically tuned by water

N.HABBACHI, H.BOUSSETTA, A.BOUKABACHE, M.A.KALLALA, P.PONS, K.BESBES

Monastir, MILE, MINC

Revue Scientifique : IEEE Electron Device Letters, Vol.38, N°2, pp.277-280, Février 2017, DOI: 10.1109/LED.2016.2644540 , N° 16480

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Abstract

This letter presents fabrication and modeling of a continuously tunable microfluidic capacitor, which is composed of electrodes obtained by classical electrodeposition and microfluidic channels generated by lamination of SU-8 films. We show that the capacitance increases continuously between Cmin = 0.52 pF and Cmax = 18.5 pF following addition of deionized (DI) water in microchannels. The capacitance tuning range reaches 3460% at 500 MHz. The quality factor decreases from Qmax = 69 when the capacitor is empty to Qmin = 5.3 when it is fully filled with DI water. We also model the electric field and current distributions inside microfluidic channels, showing that electric field is cancelled as they are entirely filled with DI water.

138952
16463
27/01/2017

Tunable MEMS capacitor: influence of fluids

N.HABBACHI, H.BOUSSETTA, A.BOUKABACHE, M.A.KALLALA, P.PONS, K.BESBES

Monastir, MILE, MINC

Revue Scientifique : Electronics Letters, Vol.53, N°2, pp.72-73, Janvier 2017 , N° 16463

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01415341

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Abstract

In this letter we evaluate the effect of a dielectric liquid on the tunability of capacitor operating in RF domains. The RF measurement shows a high variations of the resonant frequency accompanied with a low insertion loss. Moreover, the fluid positions between electrodes modifies the capacitance value up to Tr = 6660% at 600MHz. The quality factor decreases in response of water filling from Qmax = 51.9 when it is empty to Qmin = 1.49 when it is fully filled. According to the FEM analysis, the change of the dielectric permittivity influences the capacitor performances. Essentially, the tuning range of the capacitance and the quality factor could reach respectively: Tr = 7660% and Qmin = 35.-

Abstract

In this letter we evaluate the effect of a dielectric liquid on the tunability of capacitor operating in RF domains. The RF measurement shows a high variations of the resonant frequency accompanied with a low insertion loss. Moreover, the fluid positions between electrodes modifies the capacitance value up to Tr = 6660% at 600MHz. The quality factor decreases in response of water filling from Qmax = 51.9 when it is empty to Qmin = 1.49 when it is fully filled. According to the FEM analysis, the change of the dielectric permittivity influences the capacitor performances. Essentially, the tuning range of the capacitance and the quality factor could reach respectively: Tr = 7660% and Qmin = 35.-

138674
16389
01/01/2017

Simulation of single particle displacement damage in silicon – Part II: Generation and long-time relaxation of damage structure

A.JAY, M.RAINE, N.RICHARD, N.MOUSSEAU, V.GOIFFON, A.HEMERYCK, P.MAGNAN

ISAE, CEA-DAM, UdeM, M3

Revue Scientifique : IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol.64, N°1, pp.141-148, Janvier 2017 , N° 16389

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01407740

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Abstract

A statistical study of displacement cascades induced by silicon Primary Knock-on Atoms (PKA) in bulk silicon is performed by running a large number of molecular dynamics (MD) simulations. The choice of the PKA species and energy varying from 1 to 100 keV comes from a previous particle-matter simulation [1]. The electronic stopping power missing in standard MD simulations is here taken into account using the Two Temperature Model (TTM). This prevents from overestimating the number of created defects. The damaged atomic structures obtained after one nanosecond of MD simulation are not representative of what is observed in image sensors for example after several minutes. For this reason, the kinetic Activation Relaxation Technique (k-ART) is used in a second step, allowing to access longer simulation times of up to second. The obtained damaged structures can then be compared with experimental observations. Analyses reveal two possible links between the simulated structures and the measurements in solid-state image sensors. First, the cluster size distribution exhibits a shape similar to the measured exponential distribution of Dark Current (DC). Second, the temporal evolution of metastable atomic configurations resembles experimental DC-Random-Telegraph-Signals.

138193
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