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Défis technologiques >> Systèmes cyberphysiques - capteurs et actionneurs
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Capteurs piézoélectriques souples & innovants pour interface tactile et acoustique - Capteurs multifonctions

Département Systèmes (LETI)

Laboratoire Autonomie et Intégration des Capteurs

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

01-09-2021

SL-DRT-21-0205

elise.saoutieff@cea.fr

Systèmes cyberphysiques - capteurs et actionneurs (.pdf)

Le CEA a mis au point un nano capteur 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 d'utiliser ce capteur pour former une matrice tactile et déformable via l'assemblage et l'intégration de plusieurs de ces capteurs dans un substrat souple. Cette surface tactile doit permettre ensuite de restituer les efforts/déformations appliqués en chacun de ses points via une structuration particulière de la surface et une électronique d'interrogation adaptée. Cette technologie a fait l'objet de plusieurs développements, dont une thèse, en interne CEA et avec des collaborations extérieures ; le candidat s'appuiera sur une électronique développée au laboratoire. Des efforts de compréhension et d'optimisation sont encore à poursuivre, notamment pour modéliser l'interaction entre les nanofils, la matrice et le substrat souple, l'ensemble étant sollicité par l'environnement extérieur. 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 permettront de dimensionner la matrice idéale (épaisseur du substrat, longueur des nano-fils, structuration de la surface, disposition des électrodes de collecte des charges?). 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. Les travaux proposés visent également à répondre à des questions fondamentales autour du couplage d'effets piézoélectriques avec les effets pyroélectriques, optique voir acoustique, intrinsèques au GaN. Les effets de la température ou du couplage piézoélectrique/pyroélectrique sur le comportement physique (et électronique) du capteur seront étudiés. Ces aspects pourront venir complémenter le modèle existant. De plus, de nombreux axes d'amélioration demeurent par l'utilisation de nouveaux matériaux qu'il conviendra de caractériser en vue de l'application (caractérisations structurale, mécanique, électrique, optique, thermique). Les applications visées sont typiquement la peau électronique pour la robotique, la mesure de textures, la reconnaissance de la forme des objets, les interfaces tactiles intégrant notamment la mesure d'effort multipoints et multi-directions et la mesure des efforts en glissement. De plus, la multifonctionnalité du capteur peut ouvrir la voie à de nouvelles applications innovantes.

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Prédiction de trajectoire pour la navigation autonome

Département Systèmes et Circuits Intégrés Numériques

Laboratoire Intelligence Intégrée Multi-capteurs

master ou diplôme d'ingénieur en informatique ou traitement du signal

01-09-2021

SL-DRT-21-0644

tiana.rakotovao@cea.fr

Systèmes cyberphysiques - capteurs et actionneurs (.pdf)

Avec l'intérêt croissant pour les véhicules autonomes (AV), les systèmes de perception jouent un rôle central dans leur navigation, avec des développements actifs des communautés recherche et industrie automobile. Les systèmes de perception fournissent aux AVs des informations sur la situation de conduite. En pratique, des algorithmes avancés modélisent l'environnement du véhicule à l'aide d'une carte en traitant les données passées et présentes provenant de capteurs embarqués, par exemple des caméras, des LiDARs, des radars et des ultrasons. L'évolution future de l'environnement de conduite est prédite afin de planifier une trajectoire sûre, éviter des collisions et prendre des décisions quant à la navigation. Le CEA a mis au point une technologie embarquée de fusion de données exploitant le paradigme des grilles d'occupation qui modélisent l'environnement du véhicule. Cette grille fournit une estimation probabiliste des régions occupées et des régions libres. L'estimation du mouvement des obstacles est également en cours de développement. Cependant, l'estimation des trajectoires futures probables des obstacles en mouvement est indispensable pour prendre des décisions quant à la navigation. L'objectif de la thèse de doctorat est de développer un algorithme embarqué de prédiction des trajectoires pour la navigation autonome. La prédiction de trajectoire est un problème spatio-temporel (4D) où l'incertitude est essentielle pour évaluer les évolutions probables à court terme d'un scénario de conduite. La diversité des obstacles en mouvement rend la prédiction de trajectoire très difficile lorsqu'elle est intégrée à des plateformes informatiques légères. En effet, une voiture en mouvement n'a pas le même degré de liberté qu'un piéton. Les modèles de prédiction peuvent prendre en compte la nature des obstacles en mouvement si cette information est disponible (par exemple, fournie par une intelligence artificielle). Dans le cas contraire, les modèles de prédiction doivent s'adapter en fonction des données disponibles. Au cours de la thèse, le doctorant se concentrera d'abord sur la modélisation probabiliste du mouvement et de la trajectoire. Ensuite, il proposera une solution algorithmique peu complexe pouvant être exécutée en temps réel sur une plateforme informatique embarquée, le doctorant étant hébergé dans une équipe dont l'expertise porte sur le développement de solutions de perception avancées et légères pouvant être intégrées dans des systèmes embarqués. Le doctorant collaborera avec des chercheurs, des ingénieurs et d'autres doctorants issus de divers domaines scientifiques. Le candidat doit avoir une solide formation mathématique en probabilités/statistiques, informatique et prototypage de logiciels (matlab/python, C++). Des connaissances et des compétences en intelligence artificielle et en fusion de données sont des atouts majeurs.

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Systèmes embarqués Edge-AI autonomes pour la protection de la biodiversité

Département Systèmes (LETI)

Laboratoire Autonomie et Intégration des Capteurs

Ingénieur M2 Electronique, Systèmes Embarquées, Traitement du Signal

01-10-2021

SL-DRT-21-0808

esteban.cabanillas@cea.fr

Systèmes cyberphysiques - capteurs et actionneurs (.pdf)

Dans le cadre du développement technologique pour la protection de la biodiversité, les outils de mesure permettant de quantifier précisément l'impact des activités humaines (agriculture, éoliennes, antennes, étalement urbain,?) et des stratégies mises en oeuvre pour la protection de la biodiversité restent à développer. La thèse proposée a pour objectif de remédier à ce manque en proposant de développer un système électronique embarqué autonome et fiable permettant de surveiller et quantifier la biodiversité. La thèse s'appuiera sur des solutions technologiques avancées mettant en oeuvre de l'intelligence artificielle embarquée (edge AI), de la récupération et de la gestion d'énergie (modules photovoltaïques, batterie, circuit de gestion d'énergie), du traitement de données provenant de différents capteurs (audio, vidéo) ainsi que de l'électronique basse consommation (hardware et firmware) notamment pour les aspects traitement de l'information et communication. Le coeur 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 "surveillance et protection de la biodiversité". Un dispositif électronique complet (hardware + firmware) mettant en oeuvre ces innovations et déployé en situation réelle est attendu pour la fin de la thèse.

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Circuit intégré pour l'ajustement électromécanique de la dynamique de dispositifs MEMS

Département Composants Silicium (LETI)

Laboratoire Gestion de l'Energie, Capteurs et Actionneurs

Nous recherchons un étudiant diplômé de Master 2 ou Ecole d'ingénieur avec un profil « électronique analogique » et/ou « microélectronique », motivé à appréhender un sujet à cheval entre circuit et composant alliant mécatronique, conception de circuits.

01-09-2021

SL-DRT-21-0837

gael.pillonnet@cea.fr

Systèmes cyberphysiques - capteurs et actionneurs (.pdf)

Au cours de sa thèse, le doctorant aura à explorer et à évaluer les possibilités d'ajustement par effet de couplage électromécanique entre un dispositif MEMS et son interface électrique. Pour évaluer divers dispositifs, l'étudiant aura accès à des caractérisations électriques et des modélisations préliminaires de différents MEMS développés dans les salles blanches de notre institut de recherche, notamment les dispositifs dits PMUT. Le doctorant pourra également s'inspirer de techniques d'ajustement déjà éprouvées par notre équipe de recherche sur des résonateurs macroscopiques à transduction. Une revue de l'état de l'art international et les contraintes industrielles glanées dans notre environnement collaboratif industrie/recherche permettront également de positionner habillement notre recherche. Le doctorant sera en charge de choisir un niveau de modélisation et de mettre en place un environnement de simulation permettant de prédire les performances de diverses techniques d'ajustement sur l'ensemble de la chaine (du dispositif au circuit). Il prédira notamment l'impact de l'application de champs électriques et/ou magnétiques par l'intermédiaire de tension et courant fournis par l'interface électrique sur différents dispositifs. Par exemple, il combinera de façon avantageuse les concepts d'inversion de charges dans un matériau piézoélectrique, la mise en court-circuit ou circuit-ouvert notamment, pour émuler des charges électriques actives et réactives, qui moduleront la raideur et la masse intrinsèques du résonateur mécanique. Il pourra proposer la modification des dispositifs MEMS (ajout d'électrodes, géométrie maximisant le couplage, matériaux plus adaptés) en collaboration avec des technologues pour explorer une co-optimisation dispositif/circuit la plus adaptée, au moins au niveau simulation. L'aspect de l'auto-ajustement de ces techniques sera également abordé. En fonction des résultats, une ou plusieurs techniques seront identifiés pour leurs pertinences. Elles feront l'objet d'une implémentation en circuit intégré en technologie CMOS. Le doctorant aura en charge la spécification de l'ensemble des sous-blocs constituant la technique (détecteur de tension, étage de commutation, amplificateur?) et réalisera la conception « au niveau transistor ». Le circuit sera fabriqué par un sous-traitant sur une technologie CMOS à maturité industrielle. L'étudiant concevra la carte, conduira les caractérisations électriques du circuit et mettra en ?uvre l'assemblage MEMS/circuit pour prouver expérimentalement l'intérêt des techniques sélectionnées. Le déroulement de la thèse suit un schéma en boucles itératives d'apprentissage (matériau, composant, circuit, caractérisation électrique, modélisation), dont le nombre d'itération sera fonction de l'avancement du travail du candidat sur trois ans, de la fabrication des échantillons, et de l'évolution des dispositifs en salle blanche. Des dispositifs macroscopiques, s'approchant des propriétés des dispositifs MEMS visés en premier ressort, pourront être envisagés pour arriver à une expérimentation couplant dispositif et circuit. Le point de départ sera construit autour de la génération actuelle de composants MEMS pour étendre les caractérisations et construire un macro-modèle qui permettra d'explorer différentes topologies de circuits d'interface. Le doctorant développera ses compétences en conception de circuits intégrés (approximativement 50%), en mécatronique (30%) et en procédé microélectronique (20%) dans un schéma de thèse de conception de circuit proche du dispositif à contrôler. Il sera intégré dans un laboratoire spécialisé en intégration d'interfaces capteurs. Il devra présenter un excellent niveau scolaire et avoir des notions en électronique analogique. La connaissance des procédés microélectroniques et des outils de conception de circuits intégrés seraient des atouts. Enfin, il présentera une bonne capacité de travail personnel, un goût prononcé pour le travail en équipe, et une motivation pour les challenges techniques.

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