Que ce soit pour surveiller un process, l'analyser et le contrôler, la collecte des informations passe systématiquement par l'utilisation de capteurs. Initialement destinés à la mesure de grandeurs physico-chimiques conventionnelles, les domaines d'application des capteurs se sont beaucoup diversifiés avec notamment l'essor des biotechnologies, les exigences requises étant de plus en plus sévères en matière de miniaturisation, précision, consommation d'énergie et coût. Les grandes tendances dans le domaine des capteurs sont ici explorées, tout en montrant quelles réponses sont apportées par les chercheurs francs-comtois.
– Des capteurs sans fil, pour lesquels l'apport d'énergie se fait à distance
– La miniaturisation : maître mot de la recherche et du développement des capteurs
– En plein boom : les biocapteurs
– La mesure des forces dans le micromonde
– Des capteurs communicants, reliés entre eux
– Les futurs capteurs naissent au cœur de la pluridisciplinarité
Mesure de la pression des pneus en continu dans une automobile, analyses biochimiques en milieu hospitalier, manipulation d'objets de plus en plus petits, biosurveillance des milieux naturels… La recherche de sécurité dans les systèmes quels qu'ils soient (chaîne de production automobile, aérospatiale, ouvrage d'art) et plus globalement la nécessité qu'il y a, dans de nombreuses situations, à connaître l'état d'un système complexe en temps réel (pour des questions d'asservissement, de surveillance ou de maintenance), créent un besoin considérable dans le développement de nouveaux capteurs.
Qu'ils mesurent des grandeurs physiques, telles que la pression, la température ou l'accélération, ou qu'ils détectent des espèces chimiques ou biologiques, les verrous technologiques et scientifiques résident dans la miniaturisation des capteurs, dans leur autonomie énergétique, dans leur précision, dans leur sélectivité et dans l'intelligence qu'il faut développer pour qu'ils génèrent une information pertinente, lorsqu'ils sont en réseau. Ces nouvelles applications, notamment dans le domaine biomédical, s'ouvrent sur un marché en expansion.
Les laboratoires et centres de transfert francs-comtois participent au développement des capteurs de demain, soit en association avec des entreprises, soit en développant de nouveaux concepts.
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Capteurs passifs ou capteurs actifs ? La maîtrise de l'énergie, la consommation et le mode d'alimentation du capteur, sont parmi les problèmes clés.
Pour certaines applications (imaginez que le capteur soit intégré dans une roue de voiture, par exemple, ou dans n'importe quel système en rotation), il est impensable d'envisager une liaison filaire. Les capteurs à onde de surface sont, dans ce cas, des candidats idéaux car l'énergie nécessaire à leur fonctionnement leur est communiquée par une onde électromagnétique. De plus, celle-ci sert en même temps de support d'information. Ce type de capteur utilise du quartz dont le caractère piézoélectrique permet d'engendrer une onde acoustique à partir de l'onde électromagnétique. Au cours de sa propagation le long du capteur, ses caractéristiques changent en fonction de l'évolution des caractéristiques physiques du milieu (pression, température…). Par effet piézoélectrique inverse, une onde électromagnétique est émise, porteuse de l'information recherchée.
Les capteurs à onde de surface, développés notamment au département LPMO de l'Institut FEMTO-ST avec toute l'électronique nécessaire à l'interrogation à distance et à la récupération de l'information, sont dits « passifs ». Ils peuvent subir des conditions beaucoup plus sévères en température que les capteurs issus de la microélectronique. Outre le fait qu'ils ne nécessitent aucun apport d'énergie, ce qui les rend particulièrement nomades, leurs atouts résident également dans leur compacité et leur coût. Dans l'analyse du signal, on retrouve des problématiques propres au temps-fréquence dans lesquelles Besançon excelle.
Les matériaux piézoélectriques se prêtant peu à la fabrication collective, une des pistes de développement du laboratoire consiste à rendre ces capteurs compatibles avec les technologies silicium propres à la microélectronique. En travaillant avec le monde industriel (TEMEX et SENSeOR, notamment), l'objectif de l'équipe est de concevoir des systèmes directement adaptables aux conditions industrielles.
Comme ces capteurs sont à sortie de fréquence (et non pas de tension ou de courant), aucune conversion n'est nécessaire pour récupérer le signal. Leur exploitation est donc beaucoup plus facile, sans perte. D'ailleurs, des capteurs de température et de pression interrogeables à distance ont été développés conjointement par FEMTO et SENSeOR. Une électronique d'interrogation de ces capteurs passifs nomades a fait l'objet d'un transfert entre ces deux organismes dans le but d'une exploitation industrielle, déjà initiée. Pour des applications plus exigeantes en matière de précision, le département LCEP de FEMTO-ST, spécialiste des cristaux piézoélectriques massifs comme le quartz et de leur usinage, développe également, mais à des fréquences moins élevées — et donc avec une récupération filaire des données et non plus par voie hertzienne —, des capteurs de température, de pression, d'accélération ou des gyromètres, notamment dans le cadre de contrats avec les grands comptes (SCHLUMBERGER et SAGEM, par exemple). La précision et l'efficacité de ces capteurs dépendent de la « taille » du cristal : c'est-à-dire du plan de coupe adopté en fonction des grandeurs à mesurer et des techniques d'usinage. La méthodologie développée au LCEP a été transférée à une start-up, μUSM, actuellement dans le giron de l'incubateur d'entreprises innovantes de Franche-Comté. En utilisant l'usinage par ultrasons, μUSM réalise des capteurs monolithiques, ce qui permet, entre autres, une meilleure tenue dans le temps et facilite le packaging.
Les développements actuels, en conception et en moyens technologiques, sont orientés vers la miniaturisation, l'intégration et la réduction des coûts, enjeux particulièrement recherchés.
Image au microscope électronique à balayage d'un capteur acoustique à onde de surface (Institut FEMTO-ST)
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Pour différentes raisons, parce que l'on cherche à construire des appareils de plus en plus nomades, parce que la multiplication des capteurs pour un système génère finalement un poids non négligeable, parce que limiter la consommation de l'énergie est un enjeu important…, le défi technologique majeur que tentent de relever tant les chercheurs que les industriels est celui de la miniaturisation des capteurs.
À ce titre, l'exemple du capteur de gaz conçu par le laboratoire de microanalyses nucléaires Alain Chambaudet (LMN-AC) en partenariat avec le CEA et la plate-forme technologique de FEMTO-ST est révélateur. La problématique est ambitieuse : comment créer un microcapteur de gaz très sélectif, aussi sensible que les appareils de laboratoire et suffisamment stable ? Si les applications militaires sont assez évidentes, il en est d'autres concernant la vigilance sur les milieux, notamment domestiques, et la lutte contre la pollution. Construit à partir des technologies salle blanche de la microélectronique, ce capteur associe deux parties : la détection proprement dite est effectuée grâce à une couche de semi-conducteur, le dioxyde d'étain, qui transforme l'adsorption chimique en un signal électrique ; la sélectivité, quant à elle, est obtenue grâce au développement d'une microcolonne de chromatographie, qui prend la forme d'une double spirale gravée dans le silicium, tapissée d'une phase stationnaire (cf. illustration). Un mélange gazeux, injecté en entrée, est séparé en ces différentes composantes le long de son passage dans la microcolonne. Ces dernières sont ensuite détectées par le capteur de gaz. Si l'assemblage d'une microcolonne chromatographique avec un microcapteur a fait ses preuves, il reste maintenant à les intégrer dans un seul composant.
Microcolonne de chromatographie (LMN-AC – université de Franche-Comté)
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Avec des applications en agroalimentaire, dans le domaine militaire, en protection de l'environnement et dans le milieu médical pour automatiser des tâches courantes, les biocapteurs connaissent un essor considérable. Le taux de croissance annuel est estimé à 60 %, avec un marché mondial d'environ 17 milliards d'euros.
Ce terme très générique cache des technologies très diversifiées, qui reposent sur la conversion d'un signal biologique (une réaction antigène / anticorps, une hybridation de brins d'ADN ou une complexation biochimique…) en un signal électrique, optique ou à sortie de fréquence.
Dans le monde médical, l'objectif est de développer des systèmes à bas coûts, donc souvent jetables (ce qui est moins onéreux que de prévoir une aseptisation à chaque utilisation).
À titre d'exemple, un projet soutenu par l'ANR dans la catégorie « Émergence » est porté par FEMTO-ST et le cancéropôle Grand Est. Son but est de concevoir un détecteur de cellules cancéreuses dans les mélanomes (cancers de la peau).
Le principe de détection repose sur la fluorescence. En effet, le temps de déclin de la fluorescence des cellules dépend de leur environnement. Ce paramètre est suffisamment fiable pour discriminer une cellule dans un environnement sain d'une cellule faisant partie d'un groupe cancéreux. Autre exemple, soutenu celui-ci et par l'ANR et par le pôle de compétitivité « Microtechniques », le projet MÉDICALIP qui devrait permettre la mise au point de capteurs susceptibles de détecter la présence d'un virus particulier, le cytomégalovirus, suspecté d'intervenir dans les accouchements prématurés. De plus, l'infection des nouveau-nés peut entraîner une expression clinique tardive et des séquelles neurosensorielles graves. Actuellement, le dépistage se fait dans des conditions douloureuses pour les enfants, avec une technique classique de prélèvement de sang et de mise en culture. Afin de détecter précocement les enfants infectés, les suivre et prendre en charge rapidement les conséquences cliniques, un diagnostic rapide et aisé au lit du patient représenterait donc une avancée majeure. Le but du consortium créé autour de MÉDICALIP* revient à fabriquer et à étudier les performances diagnostiques d'un microsystème embarqué de détection de cette infection. Quand il s'agit de nouveau-nés, le moindre prélèvement est compliqué. L'objectif ici est donc aussi de réduire considérablement la quantité de liquides biologiques nécessaires au diagnostic. Un troisième projet, mené par FEMTO-ST et l'EFS — Établissement français du sang — est particulièrement significatif des potentialités des biocapteurs. Il consiste à automatiser et à gérer « en flux tendu » les contrôles de compatibilité entre le sang d'un donneur et celui d'un receveur, à créer, en quelque sorte, un transfuseur intelligent. Automatiquement et systématiquement, les sangs sont mis en contact et un détecteur optique mesure si une réaction d'agglutination a eu lieu. En fonction du résultat, la vanne s'ouvre ou pas. Sans intervention humaine, ce système serait plus rapide et plus sûr : tout contact entre le technicien et le sang est évité.
Dans le domaine des applications biologiques, les capteurs acoustiques à onde de surface au département LPMO sont également mis à l'épreuve. En effet, leur surface peut être fonctionnalisée par des récepteurs biochimiques, tout en gardant les avantages liés à ces capteurs. Une adsorption ou une réaction chimique va changer la propriété de la surface et donc être détectée. FEMTO-ST travaille en collaboration avec la société SENSeOR sur ces projets.
* Outre FEMTO-ST, participent à ce projet l'université de Toulouse, le CHU de Besançon et les entreprises STATICE SANTÉ et ALCYS.
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Le terrain de jeu du LAB — Laboratoire d'automatique de Besançon — se mesure en micromètres. Aussi, avant de manipuler des objets de cette taille, il est primordial de caractériser finement les forces auxquelles ils sont soumis. Le laboratoire développe pour cela des outils et des méthodologies spécifiques. Avec l'Institut des systèmes intelligents et robotique de l'université Pierre et Marie Curie (Paris), le LMS — Laboratoire de microanalyse des surfaces — de l'ENSMM, il s'est engagé à concevoir une plate-forme de caractérisation qui sera, à terme, ouverte aux utilisateurs extérieurs (laboratoires et entreprises). L'enjeu est de combler le manque de connaissances sur le comportement des objets possédant une taille entre la centaine de nanomètres et cent micromètres, notamment concernant les effets d'adhésion prépondérants à cette échelle. Pour cela, l'équipe propose de détourner le fonctionnement classique d'un AFM — microscope à force atomique — en faisant évoluer le système pour qu'il soit capable de mesurer les forces d'interactions pour des objets de forme quelconque.
La lévitation passive est une autre piste suivie par le LAB. Une tige en verre lévite dans une enceinte constituée d'un aimant et de graphite diamagnétique. Le système peut être assimilé à un dynamomètre, où le ressort serait magnétique, et possédant une constante de raideur très faible (même ordre de grandeur que pour un levier de microscope à force atomique). C'est le déplacement de la tige, mesuré par un laser, qui permet de déterminer la force. Actuellement opérationnel sur un degré de liberté, le principe peut être étendu aux trois degrés de liberté, en remplaçant le graphite par de l'eau (cf. photos). Ce capteur à flottaison passive actuellement en cours d'étude devrait permettre de constituer une plate-forme sensible qui sera utilisée par l'équipe « génétique et reproduction » du CHU de Besançon, afin de caractériser l'élasticité des membranes d'un ovule.
Système de mesure à l'horizontale d'une microforce avec un AFM
Capteur de microforces à lévitation passive
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Un réseau de capteurs peut aider à prévenir des catastrophes (tremblement de terre, éruption volcanique…)
À l'instar des capteurs sismiques installés au Japon pour fermer les vannes de gaz et qui ont permis a posteriori de reconstituer l'onde de propagation d'un tremblement de terre, les réseaux de capteurs sont un outil puissant de surveillance et de contrôle d'un environnement dont le potentiel est renforcé par l'avènement du « sans fil ». Pour autant, des verrous d'ordre théorique sont encore à lever, que l'on retrouve quels que soient les systèmes à surveiller. Imaginons un territoire maillé de capteurs collectant une information. Il est nécessaire que ces capteurs dépensent le moins d'énergie possible pour qu'ils gagnent en durée de vie, donc en autonomie. Ce principe engendre des contraintes en termes de sollicitations, de mode de transmission des données (faut-il les stocker puis les transmettre à un nœud ou les transmettre en continu ?). Il s'avère qu'une structure hiérarchique de microcapteurs, chacun relié à un nœud, lui-même relié à un autre nœud de complexité croissante, offre la meilleure efficacité. Les travaux concernent également l'agrégation des données, nécessaire à l'analyse de l'information récoltée. Si, dans un espace naturel par exemple, 500 capteurs envoient en même temps un signal de feu au même récepteur (ou « maître »), le risque encouru est celui d'un crash de ce maître. Les problèmes à résoudre sont donc typiquement des problèmes d'optimisation : comment gérer un accès concurrent au réseau pour éviter les congestions, et comment gérer les tolérances aux pannes (c'est-à-dire pallier la défection d'un capteur). À ces difficultés, s'ajoute la préoccupation de la sécurité : comment protéger les informations sur le réseau ? Comment rendre ce réseau transparent aux autres champs électromagnétiques, type portables ? Faut-il crypter les données, ce qui demande une énergie supplémentaire, alors que justement la maîtrise de l'énergie est un des problèmes cruciaux ?
Le Laboratoire d'informatique de l'université de Franche-Comté, fort de ses compétences en systèmes distribués, travaille sur ces questions depuis deux ans maintenant, en s'associant à divers projets, notamment sur la e-maintenance avec le LAB ou pour créer des réseaux de microcapteurs à ondes acoustiques de surface avec FEMTO-ST.
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Le domaine médical en est un bon exemple : le développement des capteurs de demain fait appel à des disciplines complémentaires. Opticiens, bactériologistes et ingénieurs, physiciens et informaticiens doivent partager leurs connaissances pour proposer des solutions. Cette collaboration a lieu soit entre structures (laboratoires, entreprises ou centre de transfert), soit au sein même d'un laboratoire où des équipes se constituent, à l'instar de l'axe ingénierie biomédicale de l'Institut FEMTO-ST, qui recèle des physiciens et des biochimistes.
Grâce à sa pluridisciplinarité, l'université de Franche-Comté est particulièrement armée pour accéder à une reconnaissance internationale dans le domaine des capteurs miniaturisés, avec près d'une centaine de chercheurs qui, de près ou de loin, trempent dans cette activité prometteuse. Pas étonnant pour une région phare en microtechniques, mais aussi couvrant tous les domaines techniques concernés.
Déceler les pannes avant qu'elles n'arrivent nécessite de contrôler l'état d'usure d'un système et donc d'installer des capteurs ; anticiper les changements des pièces consommables sous-entend avoir la date de leur mise en service et leur durée de vie… Une quantité d'informations doit ainsi être recueillie, stockée, traitée, analysée pour qui veut mettre en place un système de e-maintenance intelligent.
Le LAB et le LIFC se sont associés pour construire un réseau de capteurs à intégrer dans des systèmes aussi complexes qu'un sous-marin, par exemple. Mais ce réseau n'est qu'une des composantes de la plate-forme de e-maintenance. Données constructeur, interventions préalablement effectuées, règles de l'art du service qualité… toutes ces informations, stockées dans des bases, sont gérées en termes de flux et d'accessibilité, et traitées en utilisant la logique floue, l'intelligence artificielle ou les réseaux de neurones. Cette plate-forme favorise le travail collaboratif intra-entreprise, entre ses différents services, ou extra-entreprise, entre les clients et les fournisseurs.
