Capteurs RF autonomes interrogeables à distance – Application au monitoring de la pollution dans les bâtiments

Contexte

Problématique et enjeux

L'objectif est de développer des capteurs communicants faible coût, sans pile, interrogé sans fil par des technologies RFID (Radio Frequency IDentification) UHF (Ultra High Frequency) à 868 MHz. Il va s’agir de mesurer et collecter des données environnementales associées à certains gaz polluants ou certains Composés Organiques Volatils (COV) en particulier pour estimer la qualité de l'air dans les bâtiments.

La RFID UHF à 866 MHz est un standard de communication basé sur la rétrodiffusion. Elle permet la transmission d’informations sur des distances d’une vingtaine de mètres pour des tags passifs sans pile. L’énergie nécessaire à l’alimentation de la puce du tag RFID provient de l’énergie du signal RF rayonné par le lecteur RFID.

Un capteur RFID est un tag RFID intégrant la fonction capteur en plus de sa fonction d’identification classique. Un déploiement RFID complète les solutions radio traditionnelles (Wifi, Zigbee, Lora,..). Ces solutions, plus coûteuses en termes d'énergie et d'infrastructure, sont utilisées à l'échelle d'un quartier entier contrairement aux capteurs RFID télé-alimentés par ondes radio qui peuvent être lus entre 10 et 15 m en l’absence de dispositifs intégrés de stockage d’énergie ou de récupération d’énergie ambiante.

La partie capteur proprement dite sera réalisée en lien avec des chercheurs d’autres laboratoires sur 2 types distincts de capteurs qui conduiront à 2 topologies de capteur RFID :

- Capteurs capacitifs résonant à plusieurs centaines de MHz. Hamida Hallil Abbas du Laboratoire de l'Intégration du Matériau au Système (IMS, Univ. Bordeaux) développe des capteurs RF exploitant l'interaction des micro-ondes avec les espèces gazeuses absorbées par les matériaux sensibles au gaz. Ces capteurs sont des résonateurs interdigités 2D imprimés sur Kapton ou matériau biosourcé puis recouverts d’une couche de polymère de quelques micromètres dont la permittivité diélectrique dépend de concentration d’un gaz ou un COV spécifique.

- Capteurs résistifs fonctionnant avec des courants et tensions DC. Fatima Bouanis du Laboratoire Instrumentation, Modélisation, Simulation et Expérimentation (IMSE, Univ. Eiffel) et Abderrahim Yassar du Laboratoire de Physique des Interfaces et Couches Minces (LPICM, Ecole Polytechnique) développent des capteurs de gaz à base de nanotubes de carbone (carbon nanotube ou CNT) fonctionnalisés chimiquement. La résistivité de de ces matériaux varie avec la concentration de molécules de gaz piégées.

Activités d’ESYCOM en lien avec le sujet.

ESYCOM possède une expérience de 10 à 15 ans en RFID UHF et en transfert d’énergie sans fil, compétences au cœur du projet de thèse.

Sujet de la thèse

Pour les 2 types de capteurs résistifs et capacitifs à notre disposition, nous développerons deux approches différentes

- Un post-doc financé un an sur un projet Sci-ty travaille actuellement en lien avec le laboratoire IMS sur une version préliminaire d’un capteur RFID capacitif fonctionnant autour de 1 GHz. IMS assure les parties fabrication du tag, la fonctionnalisation chimique du résonateur interdigité et les mesures en présence de gaz Il s’agit d’optimiser le couplage d’une antenne RFID et d’un résonateur interdigité (capteur) afin d’avoir à la fois une bonne sensibilité du capteur et un bon rayonnement de l’antenne. L’information physique est obtenue grâce à une puce à ajustement automatique de capacités commutées compensant la variation de capacité du capteur. La valeur de capacité est numérisée puis transmise dans le protocole RFID. La thèse devra poursuivre ce travail en augmentant la miniaturisation, la sensibilité et la portée du dispositif.

- Un stage de Master 2 doit initier en 2025 une collaboration avec le LPICM, il va s’agir d’intégrer les technologies du sensing RFID, des capteurs résistifs à CNT et du Wireless Power Transfer (WPT) pour l’interrogation à distance de capteurs. Le WPT est une technologie qui permet de transmettre de l'énergie électromagnétique à distance à des objets connectés, en particulier dans des environnements où l'alimentation par batterie est difficile, et ce à des distances allant jusqu’à quelques dizaines de mètres.

Le WPT repose sur l’utilisation d’un émetteur de puissance et d’un récepteur distant, appelé communément rectenna (pour rectifying antenna), où la puissance RF est convertie en tension continue aux bornes d’une charge généralement résistive. A cause de la caractéristique de conversion RF-DC non linéaire, la tension continue en sortie (et/ou l’efficacité de conversion RF-DC) dépend de plusieurs paramètres tels que la puissance RF reçue, la fréquence et la charge en sortie. L’association des deux technologies RFID et WPT offre donc un potentiel important d’amélioration des performances du capteur RFID en apportant la source supplémentaire d’énergie fournie par le WPT. D’abord en augmentant la distance de lecture maximale d’un tag RFID en assurant l’alimentation de l’électronique de conditionnement, de traitement et de communication. Ensuite en fournissant la tension nécessaire aux fonctions électroniques supplémentaires pour le fonctionnement du capteur et la numérisation/transmission de la donnée associée.

Afin de s’affranchir des conditions d’environnement et de mesures notamment de la distance entre l’émetteur et le récepteur de puissance, le bloc rectenna possédera deux sorties différentielles, l'une servant de référence, l’autre étant utilisée pour alimenter le capteur résistif. Les tensions continues, issues de la rectenna différentielle, aux bornes des résistances R et R + R_sensor seront traitées par le bloc électronique de conditionnement, comprenant potentiellement des amplificateurs opérationnels (AOP) et des résistances, afin d’obtenir un indicateur suffisamment sensible et exploitable, permettant de différencier les variations de la résistance du capteur avec une grande précision. Le choix des composants électroniques, notamment les amplificateurs opérationnels et les résistances se fera en fonction des caractéristiques du capteur et de l’objectif de réduire la consommation en énergie et de maximiser et linéariser la différence entre les deux sorties différentielles. Cette mesure sera ensuite numérisée grâce au convertisseur analogique-numérique intégré au chip RFID et transmise vers le lecteur.

Le laboratoire ESYCOM s’inscrit dans les domaines de l’ingénierie des systèmes de communication, des capteurs et des microsystèmes pour la ville, l’environnement et la personne.

Les thèmes abordés sont plus spécifiquement :

• les antennes et propagation en milieux complexes, les composants photoniques micro-ondes  ;
• les microsystèmes pour l'analyse de l'environnement et la dépollution, pour la santé et l'interface avec le vivant ;
• les microdispositifs de récupération d'énergie ambiante mécanique, thermique ou électromagnétique.

Les disciplines abordées pendant la thèse sont l’électronique générale et l’ingénierie des circuits micro-ondes et des antennes

Le « profil idéal ou typique » est une école d’ingénieurs en électronique ou en télécom ou un Master EEA contenant des cours sur les circuits microondes