Dossier thématique 8 - septembre 2012
Le projet SYMIAE
Systèmes Miniaturisés Intelligents pour l'Aéronautique et l'Espace
Plusieurs équipes issues du CIRIMAT (UMR 5085), du LAAS (UPR CNRS), et du LAPLACE (UMR 5213) ont travaillé ensemble à la conception d’une nouvelle génération de "puces" électroniques, des RF- MEMS (pour Radio Frequency - Micro Electro Méchanical Systems –), de dimensions millimétriques, éléments de base de capteurs ou d’émetteurs miniaturisés de signaux variés : réseaux de senseurs "sans fils" pour le suivi médical ou environnemental, réseaux de communications à haut débit (fig.1), imageurs à haute résolution en ondes millimétriques…
Figure 1 : exemple d'application du projet SYMIAE : antenne micro-ondes (~ 30 - 100 Ghz) directionnelle, constituée d'un réseau de microsystèmes émetteurs/récepteurs, fixé sur un support flexible
Des applications vitales pour la sécurité
L'atelier de restitution du projet a mis en avant les applications aéronautiques et spatiales des RF-MEMS et démontré combien ceux-ci sont vitaux en matière de sécurité. Ils permettent de réaliser de nombreux composants - diodes PIN et Schottky, varactor - qui, intégrés sur des micro-puces, et couplés à des micro- antennes constituent des réseaux d'intercommunication instantanément reconfigurables, à grande "agilité" fréquentielle, offrant une grande sécurité de transmission.
Une interface radio reconfigurable
En amont des applications, SYMIAE a exploré les potentialités de l’intégration hétérogène des RF-MEMS avec des circuits intégrés (CMOS à 65 nm), couplés à des émetteurs - récepteurs (transceiver) opérant dans la gamme millimétrique (100 GHz).
Figure 2 : schéma 3D du RF-MEMS intégré
L’ensemble constitue la brique de base d’une interface radio reconfigurable, utilisant la technique dite IR-UWB (pour Impulse Radio – Ultra Wide Band ou "à bande ultra large par impulsions"). Elle émet des impulsions EHF de courte durée, avec une période et un cycle de travail (duty cycle) pseudo aléatoires, afin de transmettre des informations à haut débit, avec un faible coût énergétique, dans un contexte "Multi-Utilisateurs". L'intérêt d'un tel réseau réside dans sa reconfigurabilité immédiate assurant une communication à très large bande et à haute directivité, avec un taux de transmission très élevé et la possibilité de disposer simultanément de très nombreux nœuds de communication, dans un domaine spatial restreint.
Dans cette quête de nouveaux dispositifs, le projet SYMIAE conjugue quatre types d’études, sur i) l’élaboration des matériaux, ii) les procédés de fabrication, iii) la conception d’un circuit individuel et iv) l’implémentation du système complet.
Dans cette quête de nouveaux dispositifs, le projet SYMIAE conjugue quatre types d’études, sur i) l’élaboration des matériaux, ii) les procédés de fabrication, iii) la conception d’un circuit individuel et iv) l’implémentation du système complet.
Dépasser les contraintes technologiques
Le cœur du dispositif réside dans le micro interrupteur électromécanique chargé de connecter / déconnecter les antennes HF et assurer ainsi le phasage dynamique du réseau. Cet élément est constitué par un "pont" capacitif, constitué d'une membrane diélectrique, élastique et déformable sous l'effet d'un champ électrique, de dimension submillimétrique et d'épaisseur submicronique, qui court-circuite, en se déformant, les micro-guides d'ondes qui propagent le signal (cf. figure 2).
Les contraintes technologiques de la micro-construction de cet actuateur ont nécessité de développer de nouveaux procédés de fabrication de couches minces diélectriques. Soumis à des champs électriques intenses (jusqu'à 100 kV/mm) ceux-ci doivent être capables d'évacuer les charges électriques induites, dont l'accumulation finirait par bloquer le micro-système mécanique. Pour cela chaque élément diélectrique du système est recouvert d’une couche présentant un gradient de conductivité contrôlé, réalisé à l'aide d'une décharge à plasma RF de composition variable (figures 3 ).
Les contraintes technologiques de la micro-construction de cet actuateur ont nécessité de développer de nouveaux procédés de fabrication de couches minces diélectriques. Soumis à des champs électriques intenses (jusqu'à 100 kV/mm) ceux-ci doivent être capables d'évacuer les charges électriques induites, dont l'accumulation finirait par bloquer le micro-système mécanique. Pour cela chaque élément diélectrique du système est recouvert d’une couche présentant un gradient de conductivité contrôlé, réalisé à l'aide d'une décharge à plasma RF de composition variable (figures 3 ).
Figure 3 a : Nano caractérisation de la charge de surface et de la force adhésives entre deux couches de substrats diélectriques par utilisation d'un microscope à force atomique
Figure 3 b : Charges mesurées sur le substrat à différents temps d'injection (0,1 ms à 1s) à un potentiel de 40 V
La "puce" élémentaire de SYMIAE associe une "couche de base" (couche MAC pour "Media Access Control") chargée du multiplexage temporel des impulsions et des signaux de synchronisation des horloges, à un transmetteur à haute fréquence (60 GHz), couplé, via des interrupteurs Micro-électro-mécaniques (MEMS) à des micro antennes inductives (figure 2). Ces puces sont ensuite groupées selon un réseau phasé, fixé sur un support souple (figure 1). L'intégration sur une même "puce" de ces différentes technologies permet de réaliser un système ayant une consommation électrique très faible (50-500 µW), une faible puissance de transmission (~ 1-5 pJ/bit), des pulses d'émission très courts (0,7 – 20 ns), difficilement "interceptables", ainsi qu'une grande facilité de synchronisation (à moins d'une ns) et un haut débit (jusqu'à 375 Mbits/s).
En matière de "circuits", le projet s'est concentré sur le développement d'un actuateur RF –MEMS fiable, basé sur l’accroissement rapide des forces exercées par un matériau piézo-électrique à sa fréquence de résonance (figures 4). Ces actuateurs connectent et déconnectent alternativement les éléments du réseau déphaseur, induisant ainsi le contrôle du faisceau d’émission réception ("beam steering").
Figure 4a : un exemple d’interrupteur élémentaire de l’actuateur de codage RF-MEMS développé dans SYMIAE
Figure 4b : courbe de résonance des différents interrupteurs développés : la courbe M3 (résonance à 60 GHz) correspond à l’exemple. Le déplacement de l’actuateur qui bloque de manière préférentielle les signaux à cette fréquence, est provoqué par un signal DC
Des réalisations mises à la disposition des industries régionales
SYMIAE a bénéficié d'une large collaboration internationale, associant aux laboratoires toulousains des acteurs canadiens (Université de Toronto ; développement du transceiver placé au "front end" de la puce SYMIAE) et américains (Georgia Tech ; impression "low cost" de circuits par jet d'encre et intégration sur des substrats flexibles). SYMIAE a permis de publier 15 articles dans des revues internationales.
Bien que le système complet soit encore au niveau de la validation de laboratoire (TRL 3-4) il est patent que SYMIAE a joué un rôle de précurseur, et d'accélérateur de technologies. Des plateformes de caractérisation et de réalisation de micro-systèmes ont été réalisées, puis mises à la disposition des industries régionales. Des développements seront encore nécessaires pour fiabiliser et rendre économiquement rentables les innovations issues d'un tel projet. Mais d'ores et déjà, SYMIAE fait bénéficier l'industrie aéronautique et spatiale de notre région de nouvelles technologies de micro implémentation, et d'un prototype de réseau de communication, utile pour les systèmes aéronautiques embarqués, comme pour les futurs satellites de communication à très haut débit (Megasat).
Bien que le système complet soit encore au niveau de la validation de laboratoire (TRL 3-4) il est patent que SYMIAE a joué un rôle de précurseur, et d'accélérateur de technologies. Des plateformes de caractérisation et de réalisation de micro-systèmes ont été réalisées, puis mises à la disposition des industries régionales. Des développements seront encore nécessaires pour fiabiliser et rendre économiquement rentables les innovations issues d'un tel projet. Mais d'ores et déjà, SYMIAE fait bénéficier l'industrie aéronautique et spatiale de notre région de nouvelles technologies de micro implémentation, et d'un prototype de réseau de communication, utile pour les systèmes aéronautiques embarqués, comme pour les futurs satellites de communication à très haut débit (Megasat).