Les tendances vers la miniaturisation et l’autonomie

C’est au début des années 1990 que sont posées les bases de la problématique du regroupement de plusieurs microcapteurs sur une même puce par K.D. Wise [WN91]. L’étude porte d’abord sur la compatibilité des procédés technologiques de fabrication des parties capteurs et traitement du signal. Le but est de reporter, au plus près de la partie sensible, un premier étage de traitement du signal (amplification, multiplexage,filtrage) apportant aussi une première valeur ajoutée au conditionnement du signal. Quelques années plus tard, dans les années 2000, le lancement du projet Smart Dust par K. Pister[WLL01] tente de réaliser un regroupement de microcapteurs sur une même puce. L’objectif est d’intégrer un système de traitement du signal et d’y ajouter un moyen de communication. Les thèmes abordés par cette nouvelle problématique sont de natures différentes, ils concernent principalement, du point de vue informatique, la gestion de l’énergie que consomme le système lors de son activité de calcul autonome [HSW00], l’intégration de microcapteurs variés et les moyens de communication et de transmission de l’information. Les nombreuses recherches au plan international ont conduit, dans ces trois domaines, à l’obtention d’une première génération desystèmes avancés. Plusieurs systèmes sont développés sur la même base architecturale : capteur, conditionneur de signal, traitement du signal, mémoire, communication (Figure 1-1). L’existence d’une architecture de base invite à préparer une approche spécifique de la conception. C’est une des motivations de notre étude.

Les applications

Les applications concernent de nombreux domaines d’activité, notamment, l’agriculture, l’environnement, ou les réseaux de sécurité publique en général :
– pour l’agriculture : l’étude faite sur les réseaux de microsystèmes dans ce domaine [BBB04] a montré que de tels systèmes seront d’autant plus intéressantsque les réseaux peuvent être déployés et modifiés à souhaits pendant les différentes saisons. Les réseaux apporteraient un intérêt dans la gestion de l’eau, la prévention de dérives climatiques, la surveillance de l’hygrométrie, et une base de données sur laquellepourront discuter les différentes parties impliquées (propriétaires, exploitants, ouvriers agricoles).
– pour l’environnement, les écosystèmes : les réseaux de microsystèmes permettent de surveiller des zones reculées ou confinées [MPS02] sans enperturber les équilibres. La surveillance de zones aquatiques est aussi envisagée dans [YOD02].
– pour la santé : les réseaux d’assistance médicale [GMW04], permettent de suivre en direct, et de détecter les variations de paramètres physiologiques vitaux d’un patient. Ainsi, l’assistance médicale peut agir avant une crise, ou réagir vite face à une alerte (cas d’une chute par exemple).
Le LAAS a pour sa part contribué depuis les années 90 au développement d’applications microsystèmes liées à l’industrie automobile [EJT02], à l’aide aux personnes âgées [CCL02], au confort thermique dans l’habitat [CSE03]. Dans ce projet de collaboration avec EDF R&D, c’est le domaine du Génie Civil qui est le nouveau champ d’application.
Nous allons dans le paragraphe suivant présenter l’état des techniques d’intégration microsystèmes qui sont actuellement accessibles.

Les techniques d’intégration microsystèmes

La voie d’intégration monolithique choisie par Analog Device (via le composant ADXL) n’est pas toujours possible et le plus souvent il faut se tourner vers des techniques d’assemblage Système in Package (SiP). Cet assemblage, au sens large, joue un rôle très important dans le domaine de l’électronique pour la miniaturisation des systèmes. Son enjeu est de taille et la conception non triviale lorsque l’on doit intégrer des systèmes hétérogènes.
D’une manière générale, l’intégration ou l’assemblage des systèmes hétérogènes reste délicat à réaliser car il faut faire en sorte que chaque composant garde ses caractéristiques nominales de fonctionnement compte tenu des interactions avec d’autres éléments du système. Pour cela, la conception doit tenir compte d’un certain nombre de facteurs qui contraignent la fabrication de systèmes hétérogènes :
– la compatibilité technologique (interaction entre les procédés de fabrication),
– la compatibilité fonctionnelle (compatibilitéélectromagnétique, thermique, réactivité chimique),
– la fiabilité et les contraintes thermomécaniques (coefficient d’expansion),
– les propriétés mécaniques spécifiques (déformation, frottement, herméticité).
En plus des contraintes d’assemblage courantes connues pour les circuits intégrés électroniques, les microsystèmes nécessitent souvent le développement de nouvelles pratiques d’encapsulation qui tiennent compte des spécificités MEMS (Micro ElectroMechanical Systems).
Nous citerons comme exemple la création d’une cavité de dimension suffisante pour permettre le mouvement de parties mobiles d’actionneurs ou destructures mécaniques suspendues. D’autres contraintes propres aux MEMS peuvent être citées : protection antivibratoire pour les structures libres de silicium, protection thermique, protection optique, protection chimique, bio-compatibilité pour les systèmes utilisés en biochimie, pharmacie, alimentaire.
L’assemblage de systèmes complexes bénéficie d’un effort de miniaturisation surfacique et volumique présent à tous les niveaux, de l’échellenanométrique jusqu’à l’échelle centimétrique.
L’optimisation de l’espace se fait au niveau des structures micrométriques sur la puce de silicium puis au niveau de l’arrangement des puces de silicium dans les boîtiers de dimension millimétrique, puis à l’étape d’assemblage de ces circuits intégrés sur circuits imprimés centimétriques.
Nous allons présenter les techniques actuelles utilisées pour le conditionnement et l’intégration d’une puce de silicium nue dans un système. Nousaborderons l’intégration monolithique (System on Chip, SoC), l’intégration hybride (Système inPackage, SiP) et l’intégration émergente qui propose de fonctionnaliser le support (Système on Package, SoP). La Figure 1-2 présente une illustration de ces techniques. Nous allons ensuite aborder brièvement la technique classique de montage de composants sous forme de boîtiers à lasurface d’une carte de circuits imprimés. Les solutions présentées se différencient par l’organisation des éléments passifs (capacités, résistances, filtres, etc.) qui forment le système complet attendu.

Report CMS sur circuit imprimé

Au cours de ces dernières années, nous avons pu assister à un passage continuel de l’IMT (Insert Mount Technology) qui est le montage classique des composants par insertion sur les circuits imprimés, à la SMT (Surface MountTechnology) ou CMS (Composants Montés en Surface) qui est un montage des composants sur la surface du circuit imprimé.
Il est maintenant courant d’utiliser des circuits imprimés comportant une vingtaine de couches superposées de pistes conductrices pour une épaisseur totale de seulement 2,5 mm [4]. Cette architecture a été développée parallèlement aux boîtiers BGA (Ball Grid Array) qui ont plusieurs dizaines de connexions par centimètre carré.Le composant commercialisé par Synetics ayant 1232 contacts sur 4 cm² [5] est un exemple de la densité de connexions possibles sur un circuit imprimé.
L’avantage d’un CMS (Composant Monté en Surface) est qu’il permet de densifier l’implantation sur un circuit imprimé puisque l’on peut implanter des composants sur chacune de ses faces.
Toutefois, il nécessite un outillage très spécialisé pour sa mise en œuvre, qui est plus contraignant et complexe que l’équipement utilisé pour les composants qui traversent le circuit imprimé. La soudure est posée par sérigraphie aux points de contact des composants, la Figure 1-7 montre les principales étapes de montage d’un composant CMS.

La plate-forme de conception HiLeS

La plate-forme HiLeS est développée au LAAS depuis le début des années 2000 [Har00], [Jim00], [Ham05]. Elle s’inscrit dans une volonté collective, de spécifier et développer une base d’outils d’aide à la conception amont des microsystèmes.
Cette plate-forme s’intègre dans le cycle de développement en « V » tel que nous l’avons introduit. Dans la Figure 1-10 nous retrouvons la contribution de la plate-forme dans la zone entourée par des pointillés. Son positionnement central sur la branche descendante du « V » confère au concepteur un outil qui lui permet un lien étroit avec la partie plus amont des spécifications et la partie aval des domaines deconception spécialisés. L’objectif est qu’il puisse initier, distribuer et réguler les solutions, sous la forme de « prototypes virtuels » ainsi testés, aux équipes responsables de l’intégration. Nous voyonsici qu’à l’inverse de la démarche de conception Top-Down actuelle, décrite dans le paragraphe 1.3.2, cette démarche intègre un premier niveau de validation globale du microsystème avant de distribuer les modèles attendus concernant chaque spécialité de métier (électronique, mécanique, optique, thermique, etc.).

Le contexte de l’étude

L’application qui nous concerne pose plus généralement la problématique de l’usage des microsystèmes dans le Génie Civil. Quel peut être leur apport ?
Les questions posées par le domaine du Génie Civil sont multiples. Nous sommes plutôt concernés par le vieillissement des structures de béton armé [ATU04]. Sans entrer dans le détail de toutes les études menées dans ce domaine, le béton est un matériau « vivant » qui évolue tout au long de sa vie. Cette évolution des caractéristiques mécaniques du béton peut être due à deux phénomènes :
– d’une part, dans les premiers jours après la première coulée apparaissent la plupart des transformations chimiques qui influencent les propriétés mécaniques intrinsèques du matériau,
– et d’autre part, tout au long de leur vie, les structures de béton sont sujettes aux vibrations, aux déformations et à l’atmosphère environnante (humidité, température), ce qui provoque aussi des efforts mécaniques dans le béton. Cette vision duale de l’évolution des bétons permet de réaliser l’intérêt d’apporter des moyens de surveillance adaptés aux constructions Génie Civil sur les deux plans de vieillissement.
Le premier point concerne le jeune âge du béton. Cette période s’étend au delà de la prise du béton et jusqu’à ce qu’il atteigne 50% de sa résistance à 28 jours (ce qui correspond à 2 ou 3 jours). Ce premier plan de vieillissement est actuellement majoritairement traité par des systèmes de mesure par corde vibrante et par des systèmesoptiques basés sur les fibres optiques. Ces deux catégories de systèmes sontnoyées au cœur de la coulée pour donner une information sur les contraintes internes du matériau.
En effet, le retrait de séchage dépend de l’humidité relative présente aux limites de l’élément considéré. Il est d’autant plus fort que la quantité d’eau libre dans la pâte est plus grande. Le retrait endogène, lui découle de la composition de la pâte. La mesure de retrait s’effectue de façon volumétrique ce qui est non applicable en pratique. Le retrait d’autodessication de mortier est mesuré de manière linéique sur des éprouvettes retirées du moule 24h après mûrissement, couvert d’une pellicule imperméable.La technique de mesure consiste simplement à mesurer le déplacement relatif de 2 plots de références fixés sur la face latérale ou aux extrémités de l’éprouvette à différentes échéances de temps. Le temps zéro correspond à la fin de l’opération de scellement (les premières 24h sont négligées).
Le deuxième point concerne la vie à plus long terme du béton. Il est traité, d’une part, sur le plan du vieillissement dû aux vibrations, par des systèmes de mesure équipés de microcapteurs accéléromètres, et d’autre part, en ce qui concerne les déformations, par des mesures d’écartement par visée Laser ou par des jauges de contraintes de surface. En effet, le paramètre qui compte à l’usage, c’est l’ouverture des fissures, pour des raisons esthétiques mais surtout pour des raisons de durabilité de l’ouvrage. Il faut savoir que la peau du béton est toujours fissurée. La fissure sera invisible si elle est inférieure à 20µm, et jusqu’à 300µm elle sera considérée comme inoffensive. Au dessous de cette taille, les tensions superficielles sont supérieures aux forces gravitationnelles et empêchent tout mouvement d’eau en phase liquide. Si bien que l’eau qui a pu y pénétrer par capillarité ou par condensation nepeut en ressortir que par évaporation et par conséquent sans déplacer les ions. C’est donc cetteouverture maximale de fissure qui garantit en partie la durabilité des ouvrages en béton armé.
Notre objectif est ici de proposer un système de mesure pour le Génie Civil intégrant les dernières évolutions en matière d’intégration microsystème et répondant à un besoin de suivi des caractéristiques mécaniques d’une paroi de béton. Nous voyons qu’un tel système intéresse à la fois la réalisation d’essais menés en laboratoire pour l’étude du béton au jeune âge mais aussi et surtout la surveillance des ouvrages de béton armé en cours de vieillissement. Nous allons donc, rappeler les pratiques de mesures actuelles dans les gros œuvres et voir comment nous avons spécifié notre dispositif en conséquence.

Les capteurs utilisés en Génie Civil

Nous proposons de classer les capteurs utilisés en Génie Civil suivant deux catégories : une première catégorie qui regroupe les capteurs installés avant la coulée du béton sur les armatures de renfort. Ils sont donc noyés dans la masse du béton tout au long de leur vie. Une deuxième catégorie regroupe tous les capteurs qui peuvent être posés après la coulée du béton, à sa surface. Ces derniers sont utilisés pour la mesure de déformation de joints (fissuromètres), la mesure de déformation sous sollicitations (jauges de contraintes), ou la mesure demicro déplacements (extensomètres).

Formalisation du cahier des charges

Nous avons vu que pour éviter au maximum l’ambiguïté de compréhension d’un cahier des charges rédigé en langage naturel, il convient de suivre une structure et des règles de présentation.
Ce document de base reste tout de même textuel. Il est donc « humain », c’est à dire qu’il dépend d’une culture, d’un contexte, ce qui amène souvent une rédaction subjective. De nombreux travaux tentent de limiter au mieux cette ambiguïtéqui s’immisce dans les spécifications. L’idée généralement suivie est d’appliquer, au plus tôt, un formalisme pour créer des modèles de représentation de haut niveau à partir desquels, il sera possible de reformuler les spécifications du cahier des charges sous une configuration formelle. Nous pourrons ensuite appliquer des procédures de vérification pour s’assurer que ces représentations de haut niveau sont conformes au cahier des charges.
Pour atteindre cet objectif, nous proposons d’établir une démarche pour aller proprement du semi-formel au formel afin de bénéficier des avantages suivants :
• avoir une représentation claire des fonctionnalités et du comportement du système,
• générer une version formelle non ambiguë et complète des spécifications de ce système,
• permettre une première analyse des fonctionnalités et du comportement du système,
• établir une première validation des spécifications.
De nombreux travaux ont été réalisés, dans cet esprit, pour l’ingénierie logicielle. Aujourd’hui, les concepts de traçabilité et de validation des spécifications à haut niveau imaginés pour l’ingénierie logicielle émergent dans le domaine de la conception de systèmes hybrides qui englobent à la fois des parties logicielles et des parties matérielles multidisciplinaires. Nous nous situons dans ce cas de figure [Mau05b].

Position du problème

Dans l’absolu, il faut considérer qu’au delà du cahier des charges tel que nous l’avons introduit au Chapitre 1, le concepteur a accès à une base de données où l’on retrouvera tous les acquis antérieurs disponibles (Figure 2-1) :
• les composants réutilisables,
• les retours d’expériences récents,
• les données expertes,, etc.

Proposition et mise en œuvre d’une démarche de formalisation : fonctions et procédures

D’un point de vue fonctionnel, le cahier des charges doit définir clairement les objectifs fonctionnels du système tels que les entrées-sorties et les conditions d’environnement : énergie et environnement. Le système peut être complexe et il convient de rester au plus près des modes de raisonnement du concepteur.
Les vues représentatives des systèmes sont multiples, elles peuvent être : structurelles, fonctionnelles, comportementales (dynamique temporelle) ou orientées flux de données. A partir de ce point, nous proposons une approche de lecture du cahier des charges qui s’appuie sur les outils que nous développons également.
Par souci de clarté, nous avons choisi de réécrire textuellement les deux cas de description énoncés en 2.2.1 : à la fois la description statique fonctionnelle et la logique fonctionnelle aboutissant à la dynamique du système. Nous avons appelé ce document « Document de conception » [Mau04a].
La description statiquedéfinit une hiérarchie de fonctionsqui se retrouve dans le plan du Document de Conception (Figure 2-3). Les « Fonctions objectifs » sont extraites du cahier des charges et deviennent des blocs.

Table des matières

LISTE DES FIGURES
GLOSSAIRE 
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 
PROBLEMATIQUE SCIENTIFIQUE ET INDUSTRIELLE 
1.1 Introduction
1.2 Etat de l’art des microsystèmes de surveillance
1.2.1 Les capteurs de surveillance
1.2.2 Les tendances vers la miniaturisation et l’autonomie
1.2.3 Les applications
1.2.4 Les techniques d’intégration microsystèmes
1.3 Les modes de conception microsystèmes
1.3.1 Les motivations scientifiques
1.3.2 La conception descendante selon le cycle en V
1.3.3 La plate-forme de conception HiLeS
1.4 Notre projet
1.4.1 Le contexte de l’étude
1.4.2 Les capteurs utilisés en Génie Civil
1.4.3 L’établissement du cahier des charges par les méthodes d’analyse fonctionnelle du besoin et des analogies
1.4.4 Le plan de travail
1.5 Conclusion
CHAPITRE 2 
CONCEPTION « AMONT » D’UN MICROSYSTEME MULTICAPTEURS
2.1 Introduction
2.2 Formalisation du cahier des charges
2.2.1 Position du problème
2.2.2 Proposition et mise en œuvre d’une démarche de formalisation : fonctions et procédures
2.2.3 Traçabilité des exigences
2.2.4 Harmonisation avec l’approche UML/SysML
2.2.5 Utilisation de la méthode UML/SysML sur notre exemple
2.2.6 Bilan et recommandations
2.3 Modélisation HiLeS du microsystème
2.3.1 Le formalisme HiLeS
2.3.2 Mise en œuvre sur l’exemple
2.3.3 Difficultés rencontrées et recommandations
2.4 La vérificationsur TINA
2.4.1 L’objectif de la vérification formelle dans la plate-forme HiLeS
2.4.2 Mise en œuvre sur l’exemple
2.4.3 Difficultés rencontrées et recommandations
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3
LE PROTOTYPAGE VIRTUEL
3.1 Introduction
3.2 Les langages
3.3 La traduction du modèle amonten modèle VHDL-AMS
3.3.1 Application de la méthode ConPar
3.3.2 Application de la méthode des composants
3.3.3 Les approches en cours
3.4 L’agrégation fonctionnelle
3.4.1 La procédure préconisée par HiLeS : agrégation – « building blocks »
3.4.2 La question du partitionnement Hard/Soft
3.4.3 Les options dans notre exemple
3.5 Spécifications et choix des fournitures
3.6 Le prototype virtuel du système
3.6.1 La modélisation VHDL-AMS dans l’exemple
3.6.2 Les résultats de simulation
3.6.3 Tests et validations
3.6.4 Difficultés rencontréeset recommandations
3.7 Extensibilité de la méthode aux microsystèmes de surveillance
3.8 Conclusion
CHAPITRE 4 
INTEGRATION, PROTOTYPAGEREEL ET VALIDATION
4.1 Introduction
4.2 Préambule
4.3 Modélisation structurale et organique
4.3.1 Description structurale et organique
4.3.2 Décision de partitionnement
4.4 Les choix d’intégration
4.5 Réalisation du microsystème
4.5.1 Les composants mécaniques utilisés
4.5.2 La sous-traitanceélectronique
4.5.3 Test des fournitures
4.5.4 Evaluation de la consommation
4.5.5 Intégration du microsystème
4.6 Premières mises en œuvre et perspectives
4.7 Validation du système par comparaison au cahier des charges
4.8 Conclusion
CONCLUSION GENERALE 
ANNEXES 
Annexe 1 : Schéma de principe général et les principaux composants du système
Annexe 2 : Algorithme de fonctionnement du système SmartGec
Annexe 3 : Etude de la consommation du système
Annexe 4 : Codes VHDL-AMS du bloc « Analyse » de « Measure Treatment »
REFERENCES
RESUME 
ABSTRACT