En vedette - Un radar à faible coût de la taille d'un ongle
Mis au point dans le cadre du projet Success («Silicon-based ultra-compact cost-efficient system design for mm-wave sensors»), ce dispositif est le boîtier à base de silicium intégrant un système sur puce le plus complet pour les radars fonctionnant à haute fréquence au-delà de 100 GHz. «Pour autant que je sache, il s'agit du plus petit système radar complet au monde», affirme le professeur Christoph Scheytt, qui coordonne le projet pour le compte de l'IHP à Francfort, Allemagne. «D'autres puces fonctionnent à des fréquences supérieures à 100 GHz pour la détection de radars, mais il s'agit du niveau d'intégration le plus élevé qui ait jamais été atteint avec le silicium. Mesurant à peine 8 mm sur 8 mm, le boîtier de la puce est l'aboutissement de trois années de recherches menées par neuf partenaires universitaires et industriels en Europe, avec un financement de 3 millions d'euros de la Commission européenne. L'équipe s'est appuyée sur l'expertise de chaque maillon de la chaîne de développement microélectronique pour mettre au point cette technologie de pointe, qui devrait très prochainement être mise à profit dans des applications commerciales. Fonctionnant à 120 GHz, ce qui correspond à une longueur d'onde d'environ 2,5 mm, la puce utilise le temps de déplacement des ondes pour calculer la distance d'un objet situé jusqu'à environ trois mètres, avec une précision inférieure au millimètre. Elle peut aussi détecter des objets en mouvement et calculer leur vitesse en utilisant l'effet Doppler. Du point de vue commercial, cette technologie est aussi extrêmement économique: fabriqué à l'échelle industrielle, chaque radar miniature complet coûterait environ un euro, selon les estimations des partenaires du projet. Cela lui donne la possibilité de remplacer les capteurs à ultrasons utilisés pour la détection des objets et des piétons dans les véhicules, d'être utilisé pour les systèmes de commande automatique des portes, de mesurer les vibrations ou la distance à l'intérieur des machines, d'être utilisé dans la robotique et dans de nombreuses autres applications. Il pourrait même être intégré aux téléphones portables. Pour mettre au point le système radar miniaturisé, l'équipe a dû surmonter une série de défis techniques, notamment l'intégration de l'antenne minuscule et sa fiabilité. «Dans ce domaine, la taille est très importance,» fait remarque le professeur Scheytt. «La raison principale ayant motivé l'utilisation des hautes fréquences plutôt que des basses fréquences est que les antennes peuvent être plus petites. Alors qu'une radio FM dispose d'une antenne d'environ un mètre de long et que les antennes d'un routeur Wifi font environ 10 cm de long, avec les fréquences des ondes millimétriques (entre 30 et 300 GHz), les antennes peuvent également être à l'échelle millimétrique. Compte tenu de la miniaturisation croissante des appareils modernes - des téléphones portables aux composants robotiques - travailler à l'échelle millimétrique constitue donc un avantage significatif. Un nouveau substrat pour résoudre l'atténuation Toutefois, à hautes fréquences, les rayonnements électromagnétiques non désirés et une atténuation élevée constituent des problèmes importants. «Plus la fréquence est élevée, plus le câblage émet des rayonnements et la modélisation de cette interface a donc constitué un grand défi», explique le coordinateur du projet. L'équipe du projet Success a surmonté ce problème grâce à une modélisation précise, à une nouvelle technique pour l'intégration de l'antenne et à l'utilisation d'un substrat de polyamide pour l'antenne. «Les partenaires du projet ont étudié et testé de nombreux substrats différents pour l'antenne afin de trouver celui qui permettait d'avoir le moins de pertes. Ils ont ensuite utilisé une technique pour imprimer l'antenne dessus et la connecter avec des perles de soudure», explique le professeur Scheytt. «L'antenne elle-même est plane, ce qui signifie qu'elle est fixée à plat sur la puce. C'est complètement différent des boîtiers d'autres systèmes à ondes millimétriques dont les antennes sont généralement volumineuses et présentent des conducteurs en forme de tube. L'avantage est que l'ensemble du «système en boîtier» est beaucoup plus petit. Il est également important de tester les appareils à haute fréquence pour vérifier qu'ils fonctionnent comme ils le devraient. Les techniques de test actuelles sont coûteuses et mal adaptées aux volumes élevés de tests nécessaires si l'appareil doit être fabriqué commercialement. Pour résoudre ce problème, l'équipe du projet Success a pris l'initiative inhabituelle d'intégrer des fonctionnalités d'autotest dans le boîtier à puce. «Les autotests intégrés sont assez communs pour les puces des téléphones portables fonctionnant sur des fréquences beaucoup plus basses, mais c'est quelque chose d'assez nouveau pour les puces à ondes millimétriques», affirme le professeur Scheytt. «Nos partenaires industriels ont beaucoup insisté sur ce point car cela n'a aucun sens de produire des puces à un euro, pour ensuite dépenser 30 ou 40 euros pour tester chacun d'entre elles». Les fonctionnalités de test intégrées permettent aux techniciens de vérifier facilement et à moindre coût si l'antenne est correctement connectée, la puissance d'émission du dispositif et s'il fonctionne dans la plage de fréquences adéquate. Et, en raison de l'absence d'interface de radiofréquence, l'intégration sur une carte de circuit imprimé est tout aussi facile et bon marché. «Comme tous les circuits à haute fréquence se trouvent dans le boîtier, vous travaillez seulement avec des interfaces à basse fréquence» fait remarquer le professeur Scheytt. Il souligne qu'un ingénieur d'application peut gérer la puce, car il s'agit d'un boîtier standard monté en saillie, de la même façon qu'il monterait un capteur à ultrasons ou un microcontrôleur. «Les utilisateurs peuvent souder la puce sur leurs circuits imprimés standards et recevoir des signaux à basse fréquence qui peuvent être traités sans difficulté», explique le professeur Thomas Zwick, chef de l'IHE au KIT (Karlsruhe Institute of Technology), partenaire du projet. Les différents partenaires du consortium Success tentent désormais de trouver des applications commerciales pour la technologie. Bosch, par exemple, étudie les possibilités de déploiement et voit un potentiel important pour un radar à faible coût fonctionnant à des fréquences élevées, tandis que d'autres partenaires, tels que Silicon Radar en Allemagne, Selmic en Finlande et Hightec en Suisse, devraient également intégrer les travaux réalisés dans le cadre de Success à leurs procédés industriels. Le projet Success a été financé au titre du septième programme-cadre (7e PC) de l'Union européenne Liens aux sites web des projets: - Le 7e PC sur CORDIS - Fiche du projet Success sur CORDIS Lien au site web du projet: - «Silicon-based ultra-compact cost-efficient system design for mm-wave sensors» Autres liens: - Site web de la stratégie numérique de la Commission européenne