Systèmes et microsystèmes multiphysiques

Les chercheurs impliqués dans l'équipe SMH ont une grande expérience dans le domaine des systèmes intégrés multiphysiques pour l'instrumentation. Ces systèmes sont composés de sous-ensembles spécifiques :

• un transducteur qui convertit un mesurande en signal électrique,
• une chaîne instrumentale chargée de conditionner (amplification, traitement, manipulation) le signal électrique issu du transducteur.

La plupart des thèmes de recherche dans ce domaine sont fortement liés à des applications et font souvent l'objet de partenariats industriels. Nos principales activités de recherche se concentrent sur la co-intégration, sur une même puce, de transducteurs et de leur chaîne instrumentale dédiée. En particulier, l'équipe SMH d'ICube développe continuellement ses compétences dans le domaine des systèmes à architecture mixte, basse consommation, bas bruit, du design de systèmes ultra rapides, de la conception de circuits intégrés (principalement CMOS, BiCMOS et haute tension) et du traitement complexe du signal.

Capteur magnétiques intégrés

Dessin des masque d'un transducteur magnétique à effet Hall 3D en technologie CMOS

Ces activités portent sur l'étude et le développement de capteurs magnétiques à haute résolution compatibles avec les technologies CMOS, dont principalement les capteurs à effet Hall permettant de mesure des composantes de champ à une, deux ou trois dimensions.

Les capteurs à effet Hall permettent typiquement de mesurer des champs magnétiques à la fois statiques et dynamiques avec une résolution de l'ordre de 10µT (à titre de comparaison, le champ magnétique terrestre à Strasbourg est environ de 47µT). Ce niveau de performance est généralement obtenu avec des capteurs à effet Hall horizontaux (HHD), c'est à dire des transducteurs sensible au champ perpendiculaire au plan de la puce de silicium. Les capteurs 2D ou 3D nécessitent l'usage de transducteurs verticaux (VHD), c'est à dire sensible au champ parallèle au plan de la puce, et sont donc généralement fabriqués en technologie compatible avec la haute tension afin d'atteindre les mêmes niveaux de performances que les HHD. Nous avons développé le premier VHD haute performance en technologie CMOS standard, basse tension (LV-VHD). Notre plus récent transducteur LV-VHD a les meilleures performances rapportées à ce jour dans l'état, avec une résolution de 50µT.

Nous étudions également un nouveau dispositif prometteur nommé CHOPFET. Le CHOPFET est basé sur le concept du MAGFET (magnetic field-effect transistor) avec une structure permettant d'appliquer la technique dite du "courant tournant' ou “spinning current”, qui n'avait jusqu'alors pu être appliquée qu'aux capteurs à effet Hall. Ce dispositif ouvre de nouvelles perspectives en termes de capteurs ultra haute résolution et ultra basse consommation pleinement compatible avec avec les technologies CMOS standards.

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  Microscopie de transducteurs LV-VHD

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  Mesure de gradients magnétiques 3D en IRM

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  Vue 3D d'une structure de CHOPFET

Projets en lien

Les principaux projets en lien avec les activités de modélisation compacte sont :

• le développement d'un système système de navigation magnétique de cathéter pour la chirurgie endovasculaire sous rayons X
• le projet XYZ-IRM, "Development of a dedicated system for active minimally-invasive surgery tools tracking in IRM environment"
• un projet industriel en collaboration avec la société SOCOMEC SA, 2007-2011, "Development of a galvanomagnetic (contactless) current sensor for industrial applications"
• le projet ANR TecSan, SmartMRECG (Magnetic Resonance sequence synchronisation and ECG patient monitoring), 2008-2011, "Development of an ECG-Hall sensor for ECG signal measurement and processing in IRM environment"
• un projet industriel en collaboration avec la société ABB, "Rogowki coil-based current sensors with integrated conditioning electronics"
• le projet prématuration SATT VITTORIA, 2017-2018, "Développement d'un magnéto-amplificateur opérationnel entièrement différentiel breveté, à base de CHOPFET"

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  Système de tracking magnétique actif

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  Capteur de courant industriel

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  Correction de signal ECG avec le système ECG-Hall

Imageurs rapides

Cette activité vise à développer des dispositifs efficaces pour la mesure de phénomènes lumineux transitoires dans le domaine temporel, typiquement de 1ms (caméra CCD numérique, intensifée et obturée) et 1ps (caméra à balayage de fente), pour des applications scientifiques ou industrielles. Découvrez notre vidéo "Les caméras rendent le temps visible".

Nous avons acquis une solide expérience dans le domaine des systèmes instrumentaux pour la métrologie optique, à la fois en résolution spatiale et temporelle. En particulier, nous travaillons sur des systèmes de caméras à balayage de fente (streak) capable de mesurer des phénomènes lumineux ultra rapides. Quelle que soit la technologie utilisée (miroir rotatif, tube à vide ou silicium), l'approche "streak" a une résolution temporelle 100 à 1000 fois supérieure aux imageurs matriciels (framing), sans en avoir les contraintes. Ainsi, ces systèmes ont des performances incomparables en termes de mesure directe de la lumière et peuvent également être adaptés à la mesure de variations spatiales ou spectrales.

L'équipe SMH travaille sur deux approches, c'est à dire deux technologies :

• la technologie à tube à vide pour le design de caméras 2D (framing) et 1D (streak).
  • En mode "framing", notre caméra intensifiée ultra rapide permet d'acquérir des images sur des fenêtres temporelles de 100 ps FWHM. Les images 2D on une résolution spatiale de 512x512 pixels, ce qui correspond à une vitesse d'acquisition de plus d'un peta pixels/s.
  • En mode "streak", la résolution spatiale est réduite à une seule ligne de 1024 pixels avec une résolution temporelle de 2 ps par pixel, ce qui permet d'obtenir une vitesse d'échantillonnage de plus d'un peta pixels/s.

• la technologie CMOS standard pour les caméras 2D et 1D à état solide entièrement intégrées
  • En mode "framing", notre capteur intégré d'images en rafale atteint un taux de plus de 10 Mega images/s, avec une résolution spatiale de 400x400 pixels, ce qui permet d'obtenir un taux d'échantillonnage total de plus d'un tera pixels/s.
  • En mode "streak", notre capteur atteint des résolutions temporelles inférieures à la nanoseconde avec un taux de 8 Gfps et la capacité de stocker 128 images sur la puce.
  • Des événements optiques récurrents peuvent également être acquis avec la même résolution temporelle et une sensibilité extrême, jusqu'au photon unique, grâce à des diodes à avalanche à photon unique (Single Photon Avalanche Diode, ou "SPAD").

Nos résultats ont mené au développement d'une technologie prometteuse basée sur la tomographie optique proche infrarouge, actuellement utilisée dans des applications médicales. La fluorescence résolue en temps est également une mise en œuvre idéale de notre système pour des applications telles que les camera FLIM ou le criblage à haute vitesse de biomolécule au moyen d'un circuit microfluidique.

Caméras à balayage de fente intégrée et à tube à vide

Projets en lien

Les principaux projets en lien avec les activités sur les imageurs rapides sont :

• le projet ANR JCJC SIROPOU, 2008-2010, "système imageur pour l’observation des phenomènes optiques ultrarapides"
• le projet ANR PICO², 2015-2019, en collaboration avec l'IPCMS et le LBP, "les interactions biomoléculaires relevées par fluorescence PICOseconde dans les PICO litres”
• le projet ANR FALCON, 2014-2017, en collaboration avec le CEA LETI, Dolphin Integration et le LPSC, "Caméra rapide 10 millions d’images par seconde par assemblage nanotechnologique"
• le projet Alsace Region/FUI SPIRIT, 2009-2011, en collaboration avec Telmat SA, Photonis (pays-bas), Montena (suisse), "Réalisation d'un système d'imagerie médicale constituant un outil de diagnostic"
• le projet de "Maturation" SATT ISC, 2016-2018, en collaboration avec Optronis GmbH, "Caméra à balayage de fente à résolution sub-nanoseconde en technologie CMOS"
• une collaboration scientifique sur le projet MAITODIC, avec l'Institut de Saint Louis (ISL), 2014 – 2017, "Développement d'un démonstrateur de capteur d'imagerie 3D CMOS par temps de vol photonique sur la base d'un concept ISL"

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  Camera à balayage de fente à tube à vide

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  Caméras à balayage de fente CMOS

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  Résolution temporelle subnanoseconde

Capteurs chimiques

Test bench for chemical sensor system combining O-FET devices to a dedicated high-voltage CMOS conditioning IC

Integrated chemical sensors find their applications in several fields such as medicine, healthcare, security or industry, where there is a growing interest for more efficient, more compact, faster and cheaper devices.

Therefore, since 2010, we have been developing new activities around chemical sensors. More specifically, we aim at interfacing chemical sensors made out of various materials (CNTFET, O-FET, etc.) with their dedicated integrated conditioning electronics. For technological reasons, new electronic devices for chemical phenomenon measurement often require high-voltages (up to several tens of volts) to be properly operated. Therefore, we have been investigating high-voltage CMOS technology-compliant instrumental chains. In particular, we have proposed new high-efficiency DC-DC converters topologies and a dimensioning tool for DC-DC converters conception and optimization. From low-voltage standard IC supply voltage (1.8V, 3.3, 5V), our DC-DC converters can supply power for high-voltage modules (typically operated at 40 to 50 V) on resistive loads (up to several tens of µA).

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  Molécule O-FET

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  Structure d'un O-FET

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  Convertisseur DC-DC, topologie LCP

Projets en lien

Les projets en lien avec les activités sur les capteurs chimiques sont :

• le projet ANR CAPTEX, 2010-2013, "Modeling of CNTFET-based explosive gas sensors and development of their dedicated fully integrated conditioning electronics"
• le projet API CORALIE, 2015-2016, "Study and fabrication of organic transistors O-FET and their dedicated fully integrated conditioning electronics, functionalizing for biological or medical applications"

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  Caractéristique Ids=f(Vgate) d'un O-FET

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  Circuit intégré CMOS Haute-Tension pour capteur chimique

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  Carte de test pour capteur CNTFET

Systèmes de puissance

Cette thématique de recherche comprend deux axes complémentaires :

• La conception et la commande de machines électriques spéciales
• L’optimisation de la conversion d’énergie dans les systèmes multi-physique

La principale problématique est liée à l’optimisation multicritères de systèmes de conversion d’énergie complexes. Cette optimisation prend en compte la problématique énergétique, la régulation du système d’un point de vue réseau (fréquence, tension), la gestion de l’énergie (stockage, planification, qualité), la commande du système ainsi que les systèmes de conversions d’énergie.

Plusieurs travaux complémentaires ont été effectués :

• L’optimisation de l’association d’un système photovoltaïque dans un onduleur destiné au filtrage actif. Les condensateurs sont remplacés par un ensemble de panneaux photovoltaïques, ce qui permet non seulement de réaliser la fonction filtrage actif, mais également de produire de l’énergie.
• L’étude, la réalisation et l’optimisation d’une microcentrale à base de vis d’Archimède, associée à un alternateur à aimant permanent et un onduleur à réinjection sur le réseau.

Filtrage actif avec panneaux photovoltaïques.