Typologie d'emplois : Stages

Contexte :

Les métasurfaces sont des dispositifs articiels planaires d’épaisseurs sub-longueur d’onde.
Ils sont obtenus généralement par un arrangement métallo-diélectrique permettant d’obtenir
des valeurs extrêmes (innies, nulles, ou négatives) de permittivité, de perméabilité, et d’indice
de réfraction qui ne se rencontrent pas dans les matériaux naturels. Ces structures sont capables,
non seulement, de produire des eets de diraction identiques à ceux de structures beaucoup
plus épaisses (ouvrant la voie à la miniaturisation de dispositifs optiques, THz, microondes, etc)
mais d’exhiber des comportements électromagnétiques inédits (comme les réexion et réfraction
négatives par exemple). L’étude de ces structures a littéralement explosé durant les dernières
années non seulement dans le domaine des ondes électromagnétiques mais aussi dans celui des
ondes acoustiques, avec des exploitations technologiques inédites.

Or pour optimiser des dispositifs à base de métasurfaces, il est indispensable de disposer
d’outils numériques extrêmement performants dans la mesure où il est souvent nécessaire de
procéder à des millions de simulations durant le processus de conception. Pour accomplir cette
tâche, deux familles de codes numériques existent : (i) les codes à vocation généraliste (comme
les codes -souvent commerciaux- à base de FDTD ou de FEM, par exemple ) capables de traiter
des congurations de métasurfaces complexes tant au niveau de la géométrie que des matériaux qui les composent (homogènes ou pas, isotropes ou pas, périodiques ou pas…) mais qui sourent
de grandes exigences en temps de calcul et de place mémoire ; (ii) les codes faits maison (comme
la FMM, la FMM-ASR, la PMM…) basés sur des méthodes numériques astucieuses
exploitant les particularités de la métasurface (tels que : homogénéité, isotropie, périodicité,
symétries…) qui sont beaucoup plus ecaces, rapides et peu exigeantes en termes de mémoire
de calcul. La FMM et la FMM-ASR sont parmi les méthodes les plus populaires, faciles à
coder et ecaces. Elles ont rencontré beaucoup de succès auprès des chercheurs optimisant des
métasurfaces. Dans ces méthodes, le temps de calcul est en majorité dépensé pour trouver les
modes à l’intérieur de la structure (problème aux valeurs propres) ce qui peut être un problème
pour les grandes (en termes de dimensions latérales) métasurfaces.
Par ailleurs, les métasurfaces sont essentiellement d’épaisseur sub-longueur d’onde ce qui
ouvre la voie à une simplication de la FMM et de la FMM-ASR en exploitant un développement
limité des matrices de phase par rapport au paramètre épaisseur. Ceci permettra de
s’aranchir de la résolution du problème aux valeurs propres qui est la partie la plus consommatrice
de temps de calcul dans ces approches.

Objectifs et Prérequis :

Dans ce stage, nous proposons la mise en place d’une telle simplication dans le cas de
structures 1D puis éventuellement de structures 2D. Ce travail est essentiellement théorique et
numérique. Une excellente connaissance des équations de Maxwell, de l’algèbre linéaire et des
méthodes numériques est demandée ainsi que la connaissance du langage Matlab/Octave.

Informations complémentaires :

Laboratoire d’accueil : Laboratoire d’électronique, systèmes de communication et microsystèmes

ESYCOM UMR 9007 CNRS
Durée du contrat : de 4 à 6 mois (Stage rémunéré )
Encadrante : Maha BEN RHOUMA
Contact : Maha BEN RHOUMA (maha.ben-rhouma@univ-eiffel.fr)

Candidature :
Le dossier de candidature doit contenir
 le CV
 les relevés de notes des 2 dernières années (M1 et M2)
 la lettre de motivation
 Tout autres documents pouvant appuyer la candidature

Ce stage est proposé par le laboratoire ESYCOM (UMR 9007, CNRS) de l’Université Gustave Eiffel

Durée : 4 mois à 6 mois à partir d’avril 2023. Lieu : Champs-sur-Marne (77)

Encadrement : Elodie Richalot, Olivier Français, Hakim Takhedmit et Patrick Poulichet

Contexte, problématique et enjeux :

L’imagerie diélectrique appliquée à la biologie permet de développer des outils innovants de caractérisation cellulaire dans une démarche de différenciation (dans le cadre du diagnostic de certaines pathologies). Cette technique de mesure présente l’avantage d’être non-invasive et de ne pas nécessiter de marquage spécifique des composés biologiques, elle est donc compatible avec la mise en oeuvre de plusieurs tests successifs au sein d’un dispositif intégré, et elle permet une mesure des caractéristiques membranaires ainsi que du contenu intracellulaire en regard des gammes de fréquence mises en jeu (GHz). Ces techniques ont tout d’abord été appliquées à l’échelle des tissus biologiques (quelques mm) afin d’en suivre les propriétés diélectriques en vue de la détection de pathologies et de suivi dans le temps. Avec le développement des microtechnologies, il est désormais possible d’appliquer ces principes à l’échelle de la cellule unique (diamètre de l’ordre de quelques μm). Les enjeux concernent alors la détection de cellules cancéreuses, le suivi de la croissance cellulaire ou encore l’analyse du phénomène d’apoptose. La caractérisation des propriétés d’une cellule unique, au-delà des outils technologiques adéquats à mettre en place et qui constituent en soi une problématique, nécessite la mise en oeuvre de techniques d’inversion afin d’extraire la permittivité complexe de la cellule dans son milieu à partir de la mesure, cette permittivité étant un biomarqueur spécifique du type cellulaire.
Sujet de stage : L’utilisation du champ électromagnétique comme moyen d’interroger des milieux biologiques est une thématique en pleine essor mêlant les domaines du Génie Électrique aux sciences du vivant. La mesure macroscopique de milieux diélectriques homogènes est désormais une technique de mesure classique, qui peut être effectuée à l’aide d’appareils commerciaux (disponibles au laboratoire ESYCOM) permettant d’effectuer l’extraction des paramètres diélectriques. Cependant, pour pouvoir interroger des volumes plus faibles, inférieurs au nL, la communauté scientifique se heurte à des défis d’une part d’ordre technologique pour fabriquer les micro-dispositifs de test, et d’autre part liés à la difficulté d’extraction des paramètres diélectriques à partir des résultats de mesure en raison d’une sensibilité réduite.
L’utilisation de structures résonantes  permet d’accroitre la sensibilité des structures de test par rapport aux dispositifs large bande . A titre illustratif, le cas d’un capteur en technologie microruban est présenté en Fig. 1 avec, en figure 2, l’évolution de son coefficient de transmission en fonction de la permittivité de la gouttelette déposée au niveau de l’ouverture de son résonateur. Le décalage de la fréquence de résonateur est ainsi un indicateur des propriétés du liquide sous test . L’avantage de cette approche est sa bonne sensibilité, en raison de la détermination aisée de la fréquence de résonance. Elle présente toutefois plusieurs inconvénients : tout d’abord, elle ne permet la détermination des propriétés de l’échantillon qu’à la fréquence de résonance et non sur une bande fréquentielle, ensuite, ces propriétés sont extraites à la fréquence obtenue après décalage fréquentiel et non à une fréquence fixe initialement choisie.
L’objectif de ce stage est de chercher à s’affranchir de ces deux limitations par le développement d’un capteur résonant accordable en fréquence via l’insertion d’une diode utilisée en capacitance électriquement accordable.

Travail demandé :

Ce travail s’inscrit dans la continuité de la thèse de Houssein Mariam soutenue au laboratoire en décembre 2020, portant sur la conception de micro-capteurs large bande, et vient en appui au travail de thèse en cours de Joséphine Pichereau qui s’intéresse aux capteurs biologiques résonants. Il pourra ainsi s’appuyer sur l’existence de capteurs résonants conçus dans le cadre de cette seconde thèse ainsi que sur les développements théoriques permettant l’extraction des propriétés diélectriques des échantillons sous test.
Des mesures à l’aide des capteurs existants, conçus et fabriqués au laboratoire, permettront tout d’abord de prendre en main les méthodes de mesure et d’analyse, et d’envisager les modifications possibles au regard des contraintes expérimentales.
Après une étude bibliographique sur l’utilisation de diodes pour ajuster les fréquences de résonance, l’effet de l’insertion d’une diode sur le résonateur sera analysé à l’aide de simulations électromagnétiques (logiciel HFSS) complétées par une analyse du circuit électrique équivalent (sous le logiciel ADS). Une solution sera proposée, après une étape d’optimisation, pour être fabriquée puis testée.
Par ailleurs, un travail sera mené sur la méthode d’exploitation des résultats de simulation puis de mesure obtenus afin d’extraire les paramètres d’intérêt, à savoir les parties réelle et imaginaire de la permittivité de l’échantillon liquide sous test.

Profil Recherché :

Disciplines : Electromagnétisme, Dispositifs RF et microondes, Résonateur RF, Ligne de propagation, Mesures hyperfréquences.
Profil : formation en “Interaction Ondes – Matière “, bonnes notions sur les méthodes de modélisation en électromagnétisme (logiciels HFSS et ADS utilisés pendant le stage), attirance pour la mesure hyperfréquence, l’instrumentation et la mise en oeuvre de systèmes expérimentaux, intérêt pour les applications à la biologie.

Contacts :

Elodie RICHALOT : elodie.richalot-taisne@univ-eiffel.fr

Hakim TAKHEDMIT  : hakim.takhedmit@u-pem.fr

Ce stage de 4 ou 6 mois a pour ambition d’étudier une nouvelle génération de puce RFID UHF intégrant une fonction d’ajustement d’impédance automatique et d’évaluer si cette fonction peut être utilisée pour réaliser des capteurs interrogeables à distance avec un protocole de communication RFID.

Présentation générale

Les tags RFID auto-adaptatifs récemment introduits [1] dans la bande UHF (860-950 MHz) sont capables de modifier dynamiquement l’impédance d’entrée du circuit intégré connecté à l’antenne tag. La théorie générale des étiquettes auto-adaptatives, dans les régimes linéaire et non linéaire, a été présentée dans [2].

L’auto adaptation permet de compenser le décalage entre l’impédance du circuit et celle de l’antenne (ou plus exactement sa réactance). Le décalage peut résulter d’une modification non voulue de l’impédance de l’antenne en raison d’un changement de son environnement diélectrique proche. Le dispositif auto-adaptatif permet alors de maintenir le transfert de puissance au tag presque invariable lorsqu’il est fixé sur des objets constitués de matériaux différents. Dans les systèmes de liaisons UHF où le lecteur est au voisinage du tag, l’accord automatique permet de limiter le couplage avec le lecteur qui, positionné dans le champ proche de l’antenne tag, va dérégler l’antenne tag et modifier son impédance.

Ce décalage peut aussi résulter de la modification de la capacité d’un composant intégré à l’antenne dont la valeur dépend d’un paramètre externe (température, Ph, pression etc..). C’est cette application qui nous intéresse dans le stage.

Un exemple de dispositif de surveillance fixé sur la peau et capable de mesurer le pH de surface a été explorée dans [3]. Un varactor agit comme un transducteur convertissant la sortie potentiométrique d’un détecteur chimique en une variation de capacité qui produit à son tour une désadaptation entre l’antenne et le circuit intégré. L’antenne est conçue pour maximiser la sensibilité du dispositif qui est lisible jusqu’à 70 cm avec un gain moyen réalisé de -12 dB à 868 MHz.

Plan de travail :

WP1 : Caractérisation de l’impédance du circuit RFID UHF intégré auto-adaptatif à l’aide d’un analyseur d’impédance

A l’aide d’un analyseur d’impédance réglable en fréquence et en puissance de sortie et d’un banc de test adapté, on tracera des courbes de réponse de la puce afin de connaitre son impédance d’entrée à la fréquence nominale 868 MHz.

WP2 : Réalisation d’une l’antenne tag pour une adaptation optimale à l’impédance du circuit RFID UHF

A l’aide du logiciel HFSS, on réalisera une antenne imprimée permettant une optimisation de la puissance reçue et émise par la puce RFID à 868 MHz

WP3 : Analyse de la réponse de la puce en fonction de la désadaptation présentée à ses bornes

A l’aide d’un lecteur RFID, on interrogera le tag en lui présentant différentes valeurs de capacité à l’aide d’un varactor et d’une source DC variable (voir figure 1 et 2) de manière similaire à ce qui est présenté dans [3]

WP4 : Intégration d’un capteur au dispositif

On remplacera la source DC du tag développé dans WP3 par un capteur de température à sortie analogique afin de piloter le varactor. Une électronique d’ajustement de la dynamique de tension de sortie devra être envisagée.

Contact : Jean-Marc Laheurte  : jean-marc.laheurte@univ-eiffel.fr  – 01 60 95 72 62

Durée : 6 mois. Gratification légale de 4,05 € de l’heure de présence effective sur une base de 35h par semaine, soit entre 530 € et 620 € selon les mois.