L’équipe MINC développe de nouveaux capteurs sans fils pour les environnements contraints selon les axes suivants :

Capteurs passifs à transduction électromagnétique

Dans le cas des environnements sévères (très hautes températures, fortes radiations nucléaires, …) ou pour des applications dans lesquelles l’autonomie énergétique est insuffisante (récupération d’énergie impossible ou insuffisante, faible accessibilité pour remplacer les batteries, …), les capteurs passifs (sans énergie embarquée et sans électronique) sont une solution intéressante. Pour pallier à la faible distance d’interrogation des capteurs à couplage inductif (quelques 10 cm) ou des capteurs à ondes acoustiques de surface ou SAW pour « Surface Acoustic Wave » (qq mètres), de nouveaux concepts de transducteurs EM haute fréquence (> 1 GHz) ont été étudiés à partir du début des années 2000. Le principe de fonctionnement de ce type de capteur est basé sur la modification des propriétés d’un dispositif électromagnétique par la grandeur à mesurer et qui peut alors être interrogé à distance à l’aide d’un lecteur en analysant l’énergie rétro-diffusée. Le LAAS a été le premier laboratoire en France à étudier ce type de dispositif en couvrant l’ensemble de la thématique qui va du transducteur à l’interrogation sans fil à l’aide d’un radar FMCW (Frequency Modulated Continous Wave). Nous avons choisi de nous focaliser sur des concepts de transducteurs présentant de fortes sensibilités à la grandeur à mesurer (Modifications des propriétés électromagnétiques d’un matériau, Modification du couplage EM par déplacement parties mobiles mécanique ou fluidique).

Plusieurs concepts ont été validés pour la mesure de la pression (2007), température (2010), contrainte (2011) et radiation nucléaire (2013). Puis les travaux ont porté sur des cas applicatifs avec des spécifications industrielles contraignantes notamment pour des applications nucléaires. Pour la plupart de ces travaux, la fréquence de fonctionnement choisie était centrée sur la bande radar [22,8 GHz – 24,8 GHz].

Les prospectives pour cette thématique portent actuellement sur le développement d’une nouvelle filière technologique basée sur l’impression 3D métallique pour la réalisation du dispositif électromagnétique avec un couplage par un fluide conducteur.

[J. Philippe, M. De Paolis, D. Henry, A. Coustou, A. Rumeau, H. Aubert, P. Pons, "In-situ Wireless Pressure Measurement using Zero-Power Packaged Microwave Sensors," Sensors Vol 19 (6), p1263, March 2019]

[V. De Paolis, J. Philippe, A. Rumeau, A. Coustou, S. Charlot, H. Aubert, P. Pons, "Aperture-coupled microstrip resonator for Millimeter-wave passive pressure sensors," Transducers, 23-27 June 2019, Berlin, Germany]

[J. Philippe, M. Ferry, S. Charlot, S. Assié, A. Lecestre, G. Libaude, A. Ferrand, H. Aubert, P. Pons, "Microelectromechanical Transducer to Monitor High-Doses Nuclear Irradiations," Sensors 2021, 21(17), 2 Sept 2021]

Dosimètre passif : (a) Vue en coupe et (b) photographies de la cavité fabriquée sur le substrat de verre après le collage anodique.

Capteurs pour la détonique

Ces travaux sont réalisés dans le cadre du laboratoire commun LICUR-2015-2025 (Laboratoire sur l’Instrumentation et les Capteurs Ultra-Rapides) entre le CEA-DAM et le LAAS. Une partie des travaux porte sur le développement de nouveau capteurs pour le monitoring des ondes de choc aériennes générées par la mise à feu de charges pyrotechniques. Les ondes de choc sont des phénomènes à très fort gradient temporel avec une variation brutale des grandeurs physiques (pression, température, vitesse, …), le tout dans des environnements extrêmes en pression et/ou en température.

L’objectif est de développer un système sans fil permettant d’améliorer par un facteur 2 à 5 la précision de la mesure de la surpression statique (entre quelques bars et 70 bars).

Les travaux déjà réalisés ont permis de réaliser un transducteur de pression à grande passante (fréquence de résonance mécanique supérieure à 10 MHz). La solution choisie est un transducteur à membrane silicium et à jauges piézo-résistives qui présente les avantages d’une miniaturisation poussée et d’une intégration possible de l’ensemble de la chaine de mesure sans fil. La plateforme de communication sans fil, basée sur la modulation de fréquence d’une porteuse à l’aide d’un VCO (Voltage Controlled Oscillator), a été validée avec l’antenne d’émission située dans la boule de feu.

A terme, l’objectif est d’obtenir un système multi-capteur dont la surface sensible est de l’ordre de grandeur d’un capteur de pression unitaire commercial, compatible avec l’environnement extrême rencontré en détonique.

[M. Chalnot, A. Coustou, M. Lavayssière, A. Lefrançois, J. Luc, P. Pons, H. Aubert, "Wireless Transmission of Friedlander-type Signals for the Dynamic Measurement of Blast Pressure," Propellants, Explosives, Pyrotechnics, Vol 46, Issue 4, April 2021]

[M. Chalnot, P. Pons, H. Aubert, "Frequency Bandwidth of Pressure Sensors Dedicated to Blast Experiments," Sensors 2022, 22, 3790, 2022]

[K. Sanchez, B. Achour, A. Coustou, A. Lecestre, S. Charlot,M. Lavayssière, A. Lefrançois, H. Aubert, P. Pons, "Transient Response of Miniature Piezoresistive Pressure Sensor Dedicated to Blast Wave Monitoring," Sensors 2022, 22 (24), pp.9571, 2022]

Caractérisation du capteur par tube à choc, (a) montage du tube àchoc, (b) zoom sur l'instrumentation du tube à choc en bout de paroi, (c) capteur de pression sur son support métallique.

Contacts : Patrick PONS, Hervé AUBERT