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Millimeter Wave Short Range RadCom

Département Systèmes (LETI)

Laboratoire Architectures Intégrées Radiofréquences

M.Sc Digital communication and signal processing Wireless integrated circuit and systems

01-09-2021

SL-DRT-21-0258

cedric.dehos@cea.fr

Réseaux de communication, internet des objets, radiofréquences et antennes (.pdf)

Les prochains dispositifs mobiles devraient embarquer des circuits d'émission réception en bande millimétrique leur permettant d'échanger des données à très haut débit à courte portée (quelques cm), en remplacement des cables et connecteurs. Leur très large bande passante pourrait être également mise à profit pour des applications de radar de proximité, reconnaissance de geste, identification biométrique ou interface homme-machine. L'objectif de cette thèse est d'investiguer la faisabilité d'une double modalité radar et communication pour ces architectures de transceivers en conservant leurs basse consommation et bas cout. L'architecture non-cohérente utilisée dans ces circuits pourrait évoluer afin d'intégrer une fonctionnalité radar basée sur des impulsions (IR-UWB) ou une modulation de fréquence (FM-CW), avec un impact différent sur les performances des systèmes radar et de communication. Le candidat devra dans une approche système proposer et évaluer différentes architectures radiofréquences compatibles avec du traitement radar et de l'algorithmie à faible complexité pouvant être intégrés dans un micro-controleur.

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Convertisseur DC/DC sans inductance

Département Systèmes (LETI)

Laboratoire Electronique Energie et Puissance

Ingénieur, BAC+5, Electronique, Electrotechnique, Automatique

01-10-2020

SL-DRT-21-0277

ghislain.despesse@cea.fr

Efficacité énergétique pour bâtiments intelligents, mobilité électrique et procédés industriels (.pdf)

La réduction des dimensions des convertisseurs de puissance actuels est essentiellement liée à la montée en fréquence de fonctionnement. Cependant, aujourd'hui, nous atteignons plusieurs limites dont celles relevant des composants magnétiques. Pour cause, l'énergie, qui peut être stockée par cycle dans une inductance, diminue drastiquement avec l'augmentation de la fréquence. Pour remédier à cette limitation, nous avons étudié une alternative au stockage magnétique : le stockage transitoire d'énergie sous forme mécanique par la mise en mouvement d'un résonateur piézoélectrique. Nos premiers travaux, qui sont des premières mondiales, nous ont permis de valider le principe pour des puissances allant de 1 à 100W. L'objectif de la thèse sera d'étendre le principe de conversion à d'autres variantes topologiques et notamment à une version isolée galvaniquement. Une grande partie du travail vise la mise au point du cycle électrique de commande qui doit permettre à la fois d'entretenir la résonance de la structure mécanique et d'effectuer des transferts de puissance électrique sans pertes. La mise en ?uvre de ce cycle nécessitera, en outre, la mise au point d'une électronique très basse consommation qui intègrera plusieurs mécanismes de synchronisation et de régulation pour assurer des commutations à zéro de tension, assurer l'entretien des oscillations et réguler la tension de sortie. Le candidat pourra s'appuyer sur l'expertise du laboratoire d'accueil dans le domaine de la conversion et de la piézoélectricité. La thèse se déroulera au CEA/LETI situé à Grenoble (laboratoire orienté microélectronique et microsystème), elle sera dirigée par Mr Ghislain DESPESSE du CEA et par Mr François COSTA du SATIE (laboratoire de physique appliqué et génie électrique rattaché à l'ENS Paris-Saclay).

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Robustesse et performances d'électrodes optimisées de cellules à oxyde solide

Département Thermique Biomasse et Hydrogène (LITEN)

Laboratoire Production d'Hydrogène

The student will have transversal competences in materials and/or mechanic of solids. Skills in modelling will be also appreciated.

01-10-2021

SL-DRT-21-0289

maxime.hubert@cea.fr

Solutions avancées pour l?hydrogène et les piles à combustible pour la transition énergétique (.pdf)

Les cellules à oxyde solide (SOCs) sont des convertisseurs électrochimiques fonctionnant à hautes températures qui peuvent être utilisés pour produire soit de l'électricité en mode pile à combustibles (SOFC) ou de l'hydrogène en mode d'électrolyse (SOEC). Grâce à un large éventail de cas d'application, cette technologie est susceptible d'offrir de nombreuses solutions innovantes pour assurer la transition vers l'utilisation massive d'énergies renouvelables. Néanmoins, la durée de vie de cette technologie reste à ce jour insuffisante pour envisager son dépoilement industriel. En effet, la durabilité des SOCs est limitée par de nombreux phénomènes physiques dont notamment l'endommagement mécanique des électrodes. Par exemple, la formation de microfissures dans l'électrode dite à hydrogène est une des sources majeures de dégradation. Les mécanismes mis en jeu ainsi que l'impact des microfissures sur les performances restent cependant mal connus à ce jour. Par une approche de modélisation multi-physique, il est proposé dans cette thèse d'établir le lien entre la baisse des performances de l'électrode à hydrogène et son endommagement mécanique. Une fois le modèle validé sur des expériences originales, une analyse de sensibilité sera conduite et des recommandations seront émises pour des électrodes optimisées. Une ou deux solutions seront retenues et fabriquées pour une validation finale.

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Réseau de capteurs et edge AI basse consommation pour la maintenance prédictive

Département Systèmes (LETI)

Laboratoire Autonomie et Intégration des Capteurs

ingénieur ou master 2 Traitement du Signal, Machine learning, Programmation Embarquée

01-10-2021

SL-DRT-21-0312

vincent.heiries@cea.fr

Data intelligence dont Intelligence Artificielle (.pdf)

La maintenance prédictive est un enjeu majeur pour l'industrie du futur (industrie 4.0), permettant de maximiser les temps d'utilisation des pièces, d'augmenter la durée de vie des machines, de réduire les pannes ainsi que les temps d'immobilisation des équipements; avec à la clé, des gains économiques et environnementaux pour l'entreprise. La maintenance prédictive s'appuie sur des réseaux de capteurs placés sur les équipements à monitorer et sur des mécanismes d'apprentissages mettant en ?uvre de l'intelligence artificielle (Machine Learning). Ces capteurs sont aujourd'hui essentiellement filaires, ce qui rend leur installation complexe : passage de câbles, passage de murs, environnements tournants,? La solution idéale serait de disposer de capteurs communicants sans fil; se pose alors la question de leur autonomie énergétique, ce qui est l'enjeu de cette thèse. Ce sujet de thèse, qui s'inscrit dans la roadmap "Systèmes Cyber-Physiques" du Département Systèmes du CEA-LETI (Grenoble), aura pour objectif de développer un réseau de capteurs basse consommation sans fil permettant de surveiller les équipements industriels et d'anticiper leur défaillance. La thèse s'appuiera sur des solutions technologiques avancées mettant en ?uvre de l'intelligence artificielle embarquée (edge AI), du traitement de données provenant de différents capteurs (audio, vibrations) ainsi que de l'électronique basse consommation (hardware et firmware) notamment pour les aspects traitement de l'information et communication. L'intelligence artificielle est en plein essor avec des enjeux majeurs pour la santé, le transport, la protection de l'environnement ou encore l'industrie. Actuellement, les calculs sont majoritairement déportés sur des serveurs (couramment nommés cloud), ce qui nécessite la transmission complète des données mesurées par les capteurs (par ex. signal audio pour un microphone, ou vibrations pour un accéléromètre). Cette architecture est simple à déployer mais peu efficace du point de vue énergétique avec des serveurs de calcul surdimensionnés pour la plupart, et peu résiliente en cas de défaut de transmission des données. La tendance est donc à l'implémentation des algorithmes de traitement au plus proche des capteurs pour réduire les taux d'utilisation des systèmes de communication, décharger les serveurs de calcul en réduisant leur consommation énergétique et améliorer la résilience de ces réseaux de capteurs. Partant de ce constat, il reste à comprendre comment une tâche de traitement de données initialement réalisée par des serveurs sans contraintes d'alimentation et de puissance de calcul peut être déportée sur un réseau de capteurs à énergie disponible limitée et à puissance de calcul réduite (par ex. microcontrôleurs faible consommation). A cette fin, on pourra entre autre, mettre en ?uvre des méthodes utilisées dans le domaine du compressive sensing, et appliquer des algorithmes de machine learning dans un espace compressé. Le c?ur de la thèse portera donc sur la minimisation de la consommation énergétique hardware et firmware des systèmes électroniques embarqués implémentant de l'intelligence artificielle et visant l'application "maintenance prédictive pour l'industrie". Les questions de recherche et les innovations associées cibleront: (i) le développement d'architectures électroniques basse consommation (fonctions de réveil, ajustement de la fréquence de mesure,?), (ii) le développement et l'implémentation sur microcontrôleurs d'algorithmes de Machine Learning pour les fonctions capteurs (audio, vibrations, températures) et (iii) le développement et l'implémentation sur microcontrôleurs d'algorithmes de Machine Learning pour l'optimisation de l'énergie et de l'autonomie. Un dispositif électronique complet (hardware + firmware) mettant en ?uvre ces innovations et déployé en situation réelle est attendu pour la fin de la thèse.

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Conception et fabrication de composants à base d'alliage de GeSn pour la détection de gaz

Département d'Optronique (LETI)

Laboratoire des Capteurs Optiques

école d'ingénieur ou master en physique fondamentale, physique du solide, optique, optoélectronique ou photonique.

01-10-2020

SL-DRT-21-0315

vincent.reboud@cea.fr

Photonique, imageurs et écrans (.pdf)

L'un des principaux défis actuels de la photonique sur silicium est d'obtenir un laser intégré technologiquement compatible avec les fonderies de la microélectronique. Les lasers à semi-conducteurs traditionnels utilisent des semi-conducteurs III-V qui ne sont pas acceptés dans les fonderies de silicium, contrairement aux semi-conducteurs du groupe IV. Le CEA Grenoble fait partie des rares laboratoires à avoir déjà fait la démonstration du laser à pompage optique dans l'infrarouge moyen dans les semi-conducteurs du groupe IV, à la fois en Ge et GeSn. Avec des hétérostructures en GeSn relaxé ou sous contraintes en tension et des puits quantiques en alliages silicium-germanium-étain (Si) GeSn, nous ciblons aujourd'hui le laser continu à température ambiante et la réalisation de s photodétecteurs moyen infrarouge en 200 mm. Pour atteindre l'effet laser à température ambiante, il faut améliorer le gain optique et optimiser le confinement des porteurs. Les améliorations nécessiteront de nouvelles configurations de puits quantiques et de hétérojonctions en germanium étain, en jouant sur les compositions atomiques et la déformation mécanique à l'échelle microscopique. Comme pour les lasers que nous avons déjà obtenus, les nouvelles couches de GeSn (Si) seront épitaxiées en 200 mm au CEA Leti, puis traitées par le candidat au doctorat dans des salles blanches de plus petite échelle. Les développements réalisés pour les sources lasers seront utilisés pour la réalisation des photodétecteurs. La thèse se déroulera au sein du Département Optique et Photonique dans le Laboratoire de Capteur Optique, qui est un leader mondial dans le développement et la fabrication de composants photoniques Silicium (ou CMOS) pour la détection de gaz dans l'infra-rouge. Les objectifs de la recherche consisteront : (i) A réduire le nombre de défauts cristallins dans les régions de gain GeSn, (ii) à concevoir des empilements de GeSn (Si) efficaces qui confinent à la fois les électrons et les trous, tout en offrant un fort gain optique (iii) à appliquer et contrôler la contrainte en tension dans les couches d'étain au germanium (iv) à évaluer le gain optique sous pompage optique et injection électrique, à différentes contraintes et niveaux de dopage (v) à concevoir et fabriquer des cavités laser à fort confinement optique (vi) à obtenir des lasers du groupe IV à base de germanium qui soient accordables et qui lase en continu. (vii) à tester les composants fabriqués (sources et photodétecteurs) dans des cellules de détection de gaz À plus long terme, ces lasers seront largement utilisés dans les dispositifs miniaturisés omniprésents de faible puissance pour la détection optique de gaz et la surveillance de l'environnement. Ce travail impliquera des contacts avec des laboratoires étrangers travaillant sur le même sujet dynamique.

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Sources de temps optomécaniques

Département Composants Silicium (LETI)

Laboratoire Composants Micro-Capteurs

Le/la candidat/e sera en possession d'un Master 2/ Ecole d'ingénieur généraliste ou physique appliquée ; formation en nanotechnologies, optique ou télécom, physique des semi-conducteurs.

01-09-2021

SL-DRT-21-0351

marc.sansaperna@cea.fr

Réseaux de communication, internet des objets, radiofréquences et antennes (.pdf)

Les sources de temps (reference oscillators) sont des composants qui génèrent un signal à une fréquence très précise, habituellement à partir de la vibration d'un élément mécanique en résonance. Ces dispositifs sont aujourd'hui utilisés dans la grande majorité des circuits électroniques : un smartphone ou tablette, par exemple, peut contenir jusqu'à sept sources de temps. Cependant, l'arrivée de nouvelles technologies comme la 5G, les systèmes de conduite autonome dans les voitures ou bien certaines applications aérospatiales nécessitent des performances qui ne sont pas atteignables avec les technologies commercialement disponibles. Ainsi, le développement de sources de temps constituées de résonateurs micromécaniques (MEMS) en silicium à haute fréquence (1 ? 5 GHz aujourd'hui, plusieurs dizaines de GHz dans le futur) constitue une rupture technologique prometteuse. Cependant, la réalisation de tels dispositifs performants dans la gamme du GHz reste un défi, principalement dû à la difficulté de détecter avec précision des vibrations extrêmement faibles. Il s'agit donc d'utiliser ici une transduction optomécanique sur le même principe que les détecteurs d'ondes gravitationnelles, mais intégrée à l'échelle nanométrique ayant des sensibilités de détection extrêmes. Cette technique maintenant bien maîtrisée au Leti pourra être alliée à l'utilisation de matériaux piezoélectriques pour augmenter le signal disponible : des preuves de principe de ce concept ont été réalisées très récemment pour la recherche fondamentale mais il n'a jamais été appliquée jusqu'ici. Cette technologie semble pourtant le candidat idéal pour réaliser l'objectif de la thèse: l'implémentation d'une source de temps MEMS basée sur cette technologie optomécanique de rupture. La thèse se déroulera au laboratoire de micro-capteurs du CEA-Leti, en collaboration avec le laboratoire de composants radiofréquences. Le Leti est un pionnier dans le domaine de l'optomécanique et des matériaux piezoélectriques intégrés sur puce. Le doctorant travaillera en collaboration avec les équipes du Leti pour concevoir et dessiner le résonateur et son procédé de fabrication, sur la base de modèles analytiques et de simulations éléments finis. Ensuite, elle/il aura la possibilité de fabriquer ses dispositifs en salle blanche, et de les tester dans les laboratoires du Leti, afin de réaliser pour la première fois un tel démonstrateur. Le/la candidat/e sera en possession d'un Master 2/ Ecole d'ingénieur généraliste ou physique appliquée ; formation en nanotechnologies, optique ou télécom, physique des semi-conducteurs.

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