offres d'emplois techniques

Ingénieur H/F

Capteurs sans fil pour le monitoring des ondes de chocs aériennes

 

1           Contexte

Le CEA-Gramat et le CNRS-LAAS ont mis en place en 2015 un Laboratoire de Recherche Conventionné (LRC) nommé LICUR pour « Laboratoire sur l’Instrumentation et les Capteurs Ultra-Rapides ». Son principal objectif est de fédérer les efforts de recherche des deux partenaires dans le domaine de la mesure de phénomènes ultra-rapides en environnement extrême.

Une partie des recherches porte sur le développement de capteurs sans fil pour le monitoring des ondes de choc aériennes générées par la mise à feu de charges pyrotechniques. Les explosions sont des phénomènes extrêmement brefs, avec une variation brutale des grandeurs physiques : pressions de plusieurs dizaines de bars, vitesses de plusieurs centaines de mètres par seconde, températures de plusieurs milliers de degrés Celsius. Les capteurs disponibles sur le marché ne suffisent pas à répondre à l’ensemble des spécifications demandées pour ce type d’application.

Des travaux sont en cours depuis 2016 sur un système de mesure fonctionnel multi-grandeurs physiques sans fil à très grande bande passante (10 fois plus que les capteurs commerciaux). Ils portent sur l’ensemble de la chaine de mesure (transducteurs, circuits de conditionnement, plateforme de communication sans fil). Deux doctorants (un sur les transducteurs et un sur la plateforme de communication) travaillent actuellement sur ce sujet, avec une soutenance prévue au second semestre 2020.

Les travaux réalisés ont permis d’obtenir les résultats suivants :

 

Transducteurs

Un transducteur de pression à grande passante (fréquence de résonance mécanique élevée) a été conçu. La configuration retenue est constituée d’une membrane en silicium monocristallin rectangulaire de faible dimension avec quatre jauges implantées au centre de la membrane en pont de Wheastone. Des dispositifs avec des fréquences de résonance de 33 MHz ont été fabriqués et caractérisés au tube à choc. Le temps de réponse mesuré est de quelques centaines de nano secondes. Un transducteur de vitesse est en cours de développement. Une pré-étude, menée sur un transducteur de température intégré au transducteur de pression, a montré la faisabilité du dispositif.

 

Circuits de conditionnement

Un circuit de conditionnement, implémenté sur une carte électronique, a été développé pour permettre la lecture des transducteurs. Sa fréquence de coupure haute est de 23 MHz. Des dispositifs avec une amplification directement reportée sur le transducteur et possédant une fréquence de coupure haute de 40 MHz sont également en cours de développement.

Plateforme de communication

La plateforme de communication est composée d’une partie Emetteur pour envoyer l’information issue du capteur avec un signal RF modulé en fréquence à l’aide d’un VCO (Voltage Controlled Oscillator), d’une partie Récepteur pour recevoir l’information issue de l’émetteur et la transformer en une mesure exploitable et d’une partie Traitement du signal constituée par un programme de démodulation numérique implémenté sur un ordinateur.

Les circuits de communication ont été conçus puis implémentés sur des cartes électroniques et fonctionnent avec une fréquence porteuse de 5.6 GHz qui permet d’obtenir une bande passante importante (jusqu’à 250 MHz). Le VCO est calibré juste avant la phase de mesure à l’aide d’une référence de tension d’amplitude et de spectre temporel connu appliquée à l’entrée du VCO.

Des essais ont été réalisés, avec des capteurs de pression commerciaux, sur tube à choc et sur dalle de tir. Ils ont montré une bonne correspondance entre les mesures filaires et le système sans fil sur une distance d’une vingtaine de mètre. Des essais comparatifs ont également été menés pour des distances d’interrogation d’une centaine de mètres. Ces tests, réalisés en simulant un échelon de pression à l’entrée du VCO, ont permis de montrer que le système sans fil avait un temps de réponse de 6 ns alors que celui-ci était de 1 µs en utilisant des fils. L’interrogation simultanée de deux capteurs a également été validée.

 

 

2           Postes proposés

L’objectif final est d’intégrer les différents travaux en cours pour réaliser un système de mesure sans fil multi-capteur fonctionnel. Le système sera validé sur tube à choc et sur dalle de tir pyrotechnique. Les travaux prévus concernent :

 

Pour la partie Capteurs :

-  Augmenter la maturité technologique de fabrication des transducteurs en améliorant la reproductibilité des procédés technologiques.

-  Supprimer les interconnexions électriques sur la face du transducteur en contact avec l’onde de choc afin de fiabiliser le transducteur et minimiser les perturbations.

-  Valider le fonctionnement du transducteur de température.

-  Intégrer les différents transducteurs (pression, vitesse, température) sur une puce unique.

-  Développer un circuit de conditionnement compatible avec la lecture multi-transducteurs et intégrable au plus près des transducteurs.

-  Intégrer les différents éléments de la partie Capteur dans un boitier miniaturisé compatible avec les conditions de l’application et permettant de minimiser les effets parasites.

- Améliorer le traitement du signal sur la caractérisation de la réponse fréquentielle du capteur et de sa chaîne de mesure associée et sur la déconvolution des signaux expérimentaux réels.

- Estimer les incertitudes de mesure associées à la chaîne de mesure.

 

Pour la partie Plateforme de communication:

-  Développer un émetteur permettant la mesure simultanée de trois à dix capteurs.

-  Intégrer l’émetteur sur une carte miniaturisée avec tous éléments nécessaires (conversion tension/fréquence, calibration, alimentation).

 

Le sujet traité par le candidat retenu pourra se focaliser plus ou moins sur une partie du système complet. Cela dépendra de l’avancement des travaux et des financements disponibles au recrutement du candidat mais également du profil du candidat.

 

La priorité concerne néanmoins la partie capteur de pression avec un financement acquis de 18 mois. Ce recrutement est prévu en mars 2020. Les candidatures de stage M2 intéressées par une suite en CDD ingénieur seront également étudiées.

 

Un projet a également été déposé à la Région Occitanie avec 54 mois de financement pour le capteur de pression et de vitesse (36 mois pour la partie technologique/caractérisation et 18 mois pour la partie conception/caractérisation). La réponse pour ce projet est attendue pour décembre 2019.

Il est également prévu de déposer une demande de bourse de thèse sur le capteur de température à la Région Occitanie, avec un démarrage en octobre 2020.

Un sujet de thèse sera également proposé au CEA-Gramat sur la thématique globale pour un démarrage en octobre 2021.

La transformation du poste d’ingénieur en doctorant est envisageable.

 

3           Profil du candidat

Les compétences souhaitées portent sur :

-  Micro-technologies

-  Conception de MEMS

-  Electronique analogique et numérique haute fréquence

-  Détonique

 

4           Encadrement

- LAAS : AUBERT Hervé (aubert@laas.fr) et PONS Patrick (ppons@laas.fr)

- CEA-Gramat : LAVAYSSIERE Maylis (maylis.lavayssiere@cea.fr) et LEFRANCOIS Alexandre (alexandre.lefrancois@cea.fr)