Direction scientifique
Transfert de connaissances vers l'industrie

Nos Thèses par thème

Matrice de nanocapteurs flexibles pour mesures d'impact sur surfaces tactiles

Département Systèmes

Laboratoire Autonomie et Intégration des Capteurs

Ecoles d'ingénieurs / Master 2 en électronique, architectures électroniques et programmation, avec composantes en nanotechnologies, physique du solide, expérimentation et simulations (COMSOL).

01-09-2019

SL-DRT-19-0434

elise.saoutieff@cea.fr

Le CEA a mis au point un nanocapteur piézoélectrique apte à restituer des efforts mécaniques selon les 3 axes. Ce capteur est composé de nanofils de GaN obtenus par croissance organisée, lesquels présentent des propriétés piézoélectriques. Un des objets de la thèse est de développer l'électronique d'interrogation d'une matrice de capteurs, tactile et déformable, obtenue par l'assemblage et l'intégration d'une multitude de ces capteurs dans un substrat souple. Cette surface tactile doit permettre de restituer les efforts/déformations appliqués en chacun de ses points par une structuration particulière de la surface et une électronique de lecture dédiée. Cette technologie a fait l'objet de plusieurs développements, dont une thèse, en interne CEA et avec des collaborations extérieures. Le candidat concevra l'électronique d'interfaçage avec la matrice de capteurs (multiplexage des signaux lignes / colonnes, filtrage, amplification, rapport signal/bruit, consommation) pour la détection et la reconstruction en temps réel des signaux piézoélectriques (transitoires) émis par les capteurs. Il s'appuiera sur une première version de l'électronique développée au laboratoire et sur l'expérience de ses encadrants pour définir une architecture originale, rapide et faible consommation, pour le système global. Concernant les questions de recherche, des efforts de compréhension et d'optimisation sont encore à poursuivre, notamment pour modéliser la physique aux différentes interfaces (fonctions de transfert), la physique des nanofils (couplage fort piézoélectrique / semiconducteur), les modes de détection statique / dynamique ou encore traction / compression. Pour cela le candidat pourra s'appuyer sur les compétences du laboratoire et sur des outils de simulations multi-physique mis à sa disposition. Les résultats de la modélisation doivent notamment permettre d'orienter les choix technologiques pour le dimensionnement de la matrice « idéale » en fonction de l'application visée. A partir de ce dimensionnement, et à l'aide de l'équipe du laboratoire, il fabriquera un prototype qui permettra notamment de confronter les simulations avec les résultats expérimentaux. Enfin, les effets de la température ou du couplage piézoélectrique/pyroélectrique sur le comportement physique (et électronique) du capteur pourront être étudiés. Les applications visées sont typiquement la peau électronique pour la robotique, la reconnaissance de texture, de forme, de geste, de posture, les interfaces tactiles intégrant notamment la mesure d'effort multipoints et multi-directions et la mesure des efforts en glissement.

Systèmes électroniques d'adaptation en fréquence pour la récupération d'énergie vibratoire large bande

Département Systèmes

Laboratoire Autonomie et Intégration des Capteurs

Ecole d'ingénieur en électronique/automatique + Master recherche (ou stage de dernière année réalisé dans un laboratoire de recherche)

01-10-2019

SL-DRT-19-0436

pierre.gasnier@cea.fr

La récupération d'énergie est une thématique dont le but est l'alimentation de n?uds de capteurs sans fil communicants par le remplacement de la source d'énergie électrique (pile, câbles) ou par l'augmentation de l'autonomie énergétique. La récupération d'énergie vibratoire notamment, permet d'exploiter l'énergie mécanique d'un environnement et de la convertir en électricité afin d'alimenter le système électronique. La thèse portera sur l'exploitation du principe piézoélectrique pour convertir l'énergie vibratoire en électricité. Un des problèmes majeurs de ces récupérateurs est leur sélectivité en fréquence : l'exploitation de résonateurs mécaniques permet d'amplifier les vibrations ambiantes, mais la puissance récupérée chute drastiquement lorsque le récupérateur et l'environnement ne sont plus accordés en fréquence, ce qui dégrade l'opérabilité du système et donc sa fiabilité. Pour l'adoption de ce type de système par l'industrie, un des verrous majeurs est donc cette sélectivité fréquentielle. Ce verrou peut être levé par le moyen de récupérateurs dits « large bande » et/ou possédant la capacité à être accordés dynamiquement par un système électronique. En effet, couplé à une électronique intelligente, un récupérateur dit « fortement couplé » voit son comportement mécanique modifié (changement de sa raideur par exemple) ce qui permet de 1) suivre l'évolution de la fréquence d'entrée (un moteur dont la fréquence de rotation ralentit, ?) et/ou 2) compenser une propre modification de son comportement (une fréquence de résonance qui diminue avec la température, un vieillissement?). Le c?ur de cette thèse se focalise donc sur les circuits de gestion et de récupération d'énergie adaptant le comportement mécanique des tels récupérateurs en fonction des sollicitations vibratoires. Le CEA et l'Université Savoie Mont-Blanc (Laboratoire SYMME) ont récemment proposé des techniques performantes pour réaliser ce tuning. Cependant, la partie ajustement automatique de ces circuits n'a pas été étudiée. L'objectif de la thèse est de proposer, dimensionner, simuler, réaliser et tester des architectures électroniques innovantes permettant de réaliser le tuning automatique et la recherche du point de puissance maximum de récupérateurs piézoélectriques. Après un état de l'art sur les moyens et techniques d'ajustement de fréquences, une étude système et des simulations électromécaniques devront être réalisées, ce qui permettra de sélectionner les implémentations pertinentes (Full analogique, ou mixte numérique-analogique). Un soin particulier sera apporté à la faible consommation et l'encombrement du circuit proposé puisque le but, à terme, est de réaliser un circuit autonome en énergie et consommant une partie négligeable de l'énergie électrique récupérée. En fin de thèse, la ou les architectures sélectionnées seront alors proposées au département conception de circuits intégré en vue d'une miniaturisation. Un démonstrateur complet (récupérateur + technique de tuning + circuit d'ajustement) est ciblé pour la fin de la thèse.

Amélioration de protocoles de communication déterministes robustes et à faible latence (URLLC) par opportunisme

Département Systèmes

Laboratoire Sans fils Haut Débit

01-09-2019

SL-DRT-19-0442

mickael.maman@cea.fr

Les réseaux mobiles cellulaires de cinquième génération devront prendre en charge des services de communication à faible latence et ultra fiables (URLLC). Les exigences des applications URLLC sont : - Latence de bout en bout jusqu'à 1ms - Déterminisme (c.à.d. si la latence est stable) jusqu'à 1µs - Fiabilité (c.à.d. probabilité de succès de la transmission d'un nombre d'octets en un certain délai) entre 99,999% et 1-10^-9 - Disponibilité (c.à.d. le pourcentage de temps pendant lequel le service de communication de bout en bout est fourni conformément à une QoS convenue) supérieure à 99.99% - Densité de connexion (c.à.d. le nombre d'appareils atteignant une QoS cible par zone) de 10^6/km² pour un déploiement massif ou 100/m² dans certaines zones - Durée de vie de l'ordre de 15 ans Toutes ces exigences peuvent difficilement être satisfaites ensemble. Durant la thèse, nous nous focaliserons sur le compromis entre la fiabilité et la latence. Certaines propositions proposent d'exploiter la diversité temporelle, fréquentielle, spatiale, d'antenne ou d'interface pour repousser les limites de latence/fiabilité. Or pour certaines applications URLLC, les exigences strictes de latence peuvent exclure les protocoles qui reposent sur de la retransmission. Durant cette thèse, nous proposons d'étudier une nouvelle méthode de transmission et d'allocation (PHY/MAC) offrant un compromis flexible entre fiabilité et latence. Nous proposons d'améliorer les protocoles déterministes URLLC (fournissant la QoS minimale) par l'opportunisme. Considérant que certaines exigences peuvent prendre des valeurs dans une certaine fenêtre (en termes de fiabilité et de latence), notre approche combinera réservation de ressources et utilisation opportuniste du spectre. D'une part, nous exploiterons les protocoles déterministes de littérature qui apportent la meilleure réponse en terme de latence et nous proposerons un protocole déterministe afin d'assurer une faible maximale et des communications fiables. Cette approche bornera la performance. Or certaines applications ont des QoS plus strictes (ultra-fiabilité ou ultra-faible latence). Nous proposerons ainsi dans un second temps d'améliorer la QoS grâce à une approche opportuniste. Ce protocole complémentaire partagera des ressources limitées (partagées/inutilisées) pour des services URLLC hétérogènes et améliorera la fiabilité en exploitant les diversités spatiales et de fréquence et proposera une meilleure latence (mais avec jitter). Grâce à cette approche, nous serons autorisés à surbooker les ressources partagées et nous pourrons naturellement assurer la gestion de l'hétérogénéité.

Apports de l'analyse conjointe des paramètres cinématiques de l'écriture, de l'activité cérébrale et oculométrique dans des modèles supervisés pour l'aide au diagnostic de la dysgraphie chez l'enfant

Département Systèmes

Laboratoire Signaux et Systèmes de Capteurs

ingenieur, machine learning, traitement du signal

01-10-2019

SL-DRT-19-0443

etienne.labyt@cea.fr

Les troubles de l'écriture, appelés « dysgraphies », concerneraient 5 à 10% des enfants d'âge scolaire (Smits-Engelsman et al, 2001; Danna et al, 2016). Actuellement le diagnostic de la dysgraphie est basé sur un test relativement subjectif, le BHK. Le diagnostic, souvent très tardif, de ces troubles conduit à des situations d'échec scolaire. Leur diagnostic précoce est donc essentiel. La littérature décrit relativement bien les dysgraphies d'un point de vue moteur (Danna et al, 2013; Smits-Engelsman & Galen, 1997; Hamstra-Bletz & Blöte, 1993), mais très peu de données concernant l'activité cérébrale ou oculomotrice sont disponibles. Récemment, un premier algorithme permettant de détecter une partie des enfants dysgraphiques a été développé (Asselborn et al, 2018), mais cet outil présente des limitations technologiques empêchant son utilisation pour le diagnostic. Dans le cadre du projet soutenu par le programme Bottom Up, nous avons acquis une large base de données d'écriture d'enfants typiques et dysgraphiques et avons développé des algorithmes basés sur l'analyse des traces écrites, et identifier des paramètres cinématiques discriminatifs des enfants dysgraphiques. Les performances atteintes par nos algorithmes en termes de détection de la dysgraphie sont de l'ordre de 85%. L'objectif de la thèse proposée est d'analyser l'évolution de l'écriture chez l'enfant typique et dysgraphique sur la base de 3 mesures conjointes: les paramètres cinématiques de l'écriture, l'activité cérébrale mesurée par EEG, l'activité oculomotrice mesurée par Eye Tracking et d'évaluer, à partir de ces données, l'apport de features issues de l'EEG et de l'oculométrie dans les modèles supervisés. La finalité est de développer un nouvel outil d'aide au diagnostic de la dysgraphie entièrement informatisé et fiable.

Conception, développement et évaluation de dispositifs intégrés de détection et de quantification de particules ultrafines dans l'air

Département des Technologies des NanoMatériaux (LITEN)

Laboratoire de Nanocaractérisation et Nanosécurité

Ingénieur et/ou Master recherche en sciences des matériaux, science des aérosols et/ou génie électrique

01-09-2019

SL-DRT-19-0464

simon.clavaguera@cea.fr

Domaine de recherche : La mesure de la qualité de l'air est un enjeu sociétal qui conduit à de fortes attentes de la part de la population. Peu de solutions ergonomiques et fiables permettent le suivi de l'exposition particulaire sur une large gamme de taille. De nombreux capteurs optiques existent mais répondent aux particules de taille supérieure à 300 nm en fournissant des équivalents en concentration massique (PM10 et PM2.5). Ainsi les outils performants, bas coût et couvrant toute la large gamme des aérosols inhalables font défaut aujourd'hui. Ceci est révélateur d'un fort potentiel de valorisation. Résumé du sujet : Nous nous proposons donc de développer des microcapteurs de particules offrant une sélection granulométrique sur la gamme 5-300 nm qui permettraient également de déterminer la composition chimique des particules collectées. Cette thèse a ainsi pour objectif de développer et d'évaluer, théoriquement et expérimentalement, les performances d'un dispositif intégré de détection et de quantification de particules basé sur le principe de charge par diffusion d'ions. Les phénomènes de charge et de pertes éventuelles des particules feront l'objet d'une étude particulière. Le dispositif visé permettra de trier les particules selon leur mobilité électrique, de les déposer sélectivement sur un substrat selon des anneaux concentriques et de les quantifier en temps réel à l'aide d'électromètres et d'un algorithme de traitement du signal adapté. Différentes métriques d'intérêt seront explorées telle que la concentration exprimée en nombre, en masse et en LDSA (lung-deposited surface area concentration). Nous proposons, en outre, le développement et l'évaluation sur le terrain d'un système simplifié permettant de suivre plusieurs canaux d'intérêt (5-20nm ; 20-100 nm ; 100-300 nm) afin de proposer une solution capable d'identifier des sources de particules ultrafines en temps réel (application à la pollution urbaine).

Onduleur multi-niveaux à base de modules photovoltaïques commutés

Département Systèmes

Laboratoire Electronique Energie et Puissance

Bac+5 en Electronique, électrotechnique et/ou automatique

01-10-2019

SL-DRT-19-0470

ghislain.despesse@cea.fr

La thèse vise le développement d'une architecture de conversion à base de modules photovoltaïques commutées permettant à la fois d'optimiser l'exploitation de chaque panneau photovoltaïque et d'optimiser le transfert de la puissance fournie par une installation photovoltaïque au réseau électrique. Il s'agit de pouvoir dynamiquement ajouter/supprimer électriquement des modules d'une mise en série pour générer en sortie la tension souhaitée. Ce principe a déjà été évalué et testé dans le cas de la gestion de batteries et a montré de nombreux intérêts : commutation de faibles tensions (réduction drastique des pertes par commutations), flexibilité accru (le courant moyen extrait de chaque module peut être ajusté indépendamment), permet la continuité de service en cas d'un élément défaillant? Nous souhaitons, au travers de cette thèse, étendre ce principe au cas de la production photovoltaïque avec toutes les spécificités associées : la source photovoltaïque est plutôt une source de courant que de tension et l'optimisation du fonctionnement d'un module impose que le courant qui lui est extrait le place dans un mode d'extraction maximum d'énergie (MPPT : Maximum Power Point Tracking), ce point optimal étant différent pour chaque module du fait des poussières, de l'orientation, des défauts, des ombrages? Il faut donc déterminer une stratégie et des lois de commande pour amener chaque module vers son point de fonctionnement optimal et le maintenir à ce point de fonctionnement. Cette optimisation du fonctionnement de chaque module doit se faire tout en suivant en même temps et en temps réel la tension secteur au niveau de la sortie globale du système et ce avec une amplitude de courant qui maximise la puissance.

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