Piµi Plateforme d’Intégration en Microsystèmes Industrialisables Partenaires du Portefeuille: ULG-MICROSYS, SIRRIS, CENTEXBEL, CEWAC, UMONS, MATERIA NOVA Chef de file: ULg-MICROSYS Conférence Microsystème du 26 novembre 2013 www.plushaut.be Microsys description → MICROSYS est un laboratoire de Ulg (EMMI) crée en 2006 → Secteur de recherche: → Micro-assembly and Packaging for Microsystems → Energy harvesting for autonomous and wireless Microsystems → Bio and Organic chip encapsulation → Harsh environment applications → Microfluidic www.plushaut.be 27/11/2013 PR-0001 2 Brève introduction Les microtechnologies ont engendré une mutation technologique profonde notamment par l'usage de procédés de fabrication entièrement nouveaux et par la gamme des applications possibles. Les microtechnologies permettent, entre autres, de réaliser des microsystèmes (ensemble de très petite dimension qui associe : capteur(s), électronique et informatique de traitement de leurs signaux, système de télécommunication, micro-actuateurs et source d'énergie électrique www.plushaut.be 3 Brève introduction Le but de ce portefeuille PIμI est de développer une plateforme d'intégration en microsystèmes industrialisables capables de résoudre une majorité de problèmes liés au packaging (interconnexion, encapsulation, test et caractérisation) des microsystèmes. Pour ce faire la plateforme Piµi développe ses capacités de détection des besoins industriels en amont et sa capacité de support pour les recherches appliquées (nouvelles générations de microsystèmes et de capteurs, etc) et associe les compétences d'autres acteurs clés et complémentaires. L'ensemble des activités de la plateforme est inscrite dans la logique d'une production industrielle ultérieure et en synergie avec les activités d'autres projets et portefeuilles où la compétence en microsystèmes est requise. 20 mm www.plushaut.be Brève introduction •L'intégration des capteurs intelligents se fera au travers de deux projets : MONSOTEX et MEDIPUMP. •L'équipement exceptionnel (MIFADEMA) quand à lui pourra servir à des réalisations particulières pour la réalisation de microsystèmes (ie : dépôt d'or sur substrats particuliers). •L’exploration de nouveaux substrats et de nouveaux microsystèmes se fait a travers REMANOS. Medipump Piµi Monsotex Remanos Mifadema 20 mm www.plushaut.be Projet MEDIPUMP Partenariat : CEWAC, SIRRIS, ULg-Microsys www.plushaut.be Objectif de MEDIPUMP → CEWAC : Réalisation de l'étude et de la mise en œuvre d'une nouvelle gamme de pompes médicales basées sur un système mécanique fiable, sur la précision et la répétitivité de l'injection du liquide à administrer. → ULG : Réalisation du microsystème permettant d'évaluer de faibles débits de manière non intrusive, précise et de gérer la régulation des pompes. → SIRRIS : Réalisation du carter et plus précisément des enveloppes mécaniques. → Définition des démonstrateurs technologiques → Démonstrateur 1 : pompe hydromécanique de base (500 et 1000 ml). → Démonstrateur 2 : pompe électro-hydromécanique (500 et 1000 ml). → Démonstrateur 3 : pompe électro-hydromécanique (3000 ml). 27/11/2013 7 Principes et microsystèmes pour Medipump Occlusion en amont Occlusion en aval Occlusion en amont Détection Occlusion en aval Détection www.plushaut.be Du modèle au système → Etude du mécanisme: Analyse FEA et design numérique: Allégement du mécanisme avec structure en magnésium www.plushaut.be Intégration du contrôle électronique et des microsystèmes Intégration de la pneumatique et de l’électronique www.plushaut.be Design et Capotage en impression 3D www.plushaut.be Validation expérimentale www.plushaut.be Occlusion Validation Bulles d’Air Validation Système final Présentation du démonstrateur (Photo) www.plushaut.be Projet MONSOTEX Partenariat : CENTEXBEL, ULg-Microsys www.plushaut.be Rappel des objectifs → Conception et réalisation de textiles intelligents destinés au monitoring du sommeil → CENTEXBEL : Intégration des capteurs et de l’électronique dans le textile. → ULG : Réalisation de l'architecture, du design et du packaging des composants permettant de gérer les capteurs textiles. → 3 prototypes MONSOTEX → Proto 1 : vêtement intelligent (ECG et respiration) → Proto 2 : couvre-matelas intelligent (cartographie de pression) → Proto 3 : bandeau intelligent (EEG) www.plushaut.be Pourquoi le textile intelligent? Textile = Confort, Portabilité, Lavabilité Enjeu = médicine à la maison, abaissement des couts, vieillissement de la population, médecine préventive, secteur textile www.plushaut.be Electronique textile et textrode Capteur plethysmographique pour mesurer la respiration et électrode textile sèche à pré amplification pour ECG www.plushaut.be Interconnection textile et électronique Ceinture respiratoire Substrat rigide fin (0.4 mm) Puce nue encapsulée Composants SMD soudés Fils textiles collés Fils multibrins soudés Encapsulation silicone www.plushaut.be Test intensif des ceintures respiratoires et électrode ECG Variation relative de fréquece (∆f/f) 0,060 Capteur textile 0,050 0,040 0,030 0,020 0,010 0,000 0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 Etirement relatif (∆l/l) Simulateur respiration www.plushaut.be 0,300 0,350 Confort thermique et test + Modèle et machine pour tester le confort des vêtements www.plushaut.be Projet REMANOS SIRRIS, Microsys-ULg, UMons, Materia Nova www.plushaut.be Présentation REMANOS Objectifs → Développement plateforme intégration microsystèmes autonomes industrialisables → intégration sur substrats non-conventionnels, non plans; microsystèmes autonomes (récupération énergie + stockage et gestion, communication), outils et boîtiers spécifiques, … → détection des besoins industriels et développement capacité de support pour les recherches appliquées Partenariat → Sirris : micro-usinage ; dépôt sélectif sans masque ; micro-outil report microsystèmes sur produits 3D → Materia Nova : développement de micropanneaux photovoltaïques sur substrats "non plans". → UMons : recherche sur les surfaces intelligentes ; choix des matériaux. → Microsys-ULg: choix composants; fiabilisation, reproductibilité et caractérisation microsystèmes; packaging sur nouveaux substrats; recherche sur autonomie énergétique; www.plushaut.be 27/11/2013 22 Infrastructure obtenue par l’équipement projet REMANOS www.plushaut.be Panneau photovoltaïque électrique flexible et organique Film actif Anode transparente Sur support flexible PEN S n (donnor) hn Prérequis pour l’alimentation du µsystème: - Puissance ~ 10 µW - Courant débité sous cette tension: > 3.3 µA - Tension en fonctionnement: 2.3 – 3.6 V 4 cm² (Sample 3) hn Courant (mA) Voltage (V) FF Puissance (mW) 0.595 2.364 0.57 0.80 www.plushaut.be Récupération énergie piézo nouvelle génération → Elaboration d’un système de récupération d’énergie souple pour répondre aux contraintes de miniaturisation + robustesse → Conversion énergie mécanique en énergie électrique à l’aide d’un matériau piézoélectrique (PVDF) attaché à un substrat mou (PDMS) Etat comprimé * F. Brau et al., Nature Physics 7, 56 (2011) www.plushaut.be Frittage électrode déposé par AJP, PVDF (25 µm) Microsystème ultra basse puissance MMA: •Multisensor •Wireless •Autonome •Low volume •Low Cost •Molded •Polymorphe Power management : HRT packaging : -Flexible array of PV •encapsulation, -Efficient multi source •communication power management •welding (CEWAC) with -Ultra low consumption superinsulation (10 µW) 10 time less than predicted www.plushaut.be CEWAC - microsoudage Exemples d’applications Cabine de micro-soudage laser : YAG pulsé 200W + fibre continu 400W Micro-soudage FSW robotisé www.plushaut.be Faisceau d’électrons : 6kW Taille de la chambre 500x500x500mm Soudage par résistance par points et à la molette MMA Résultat fin 2012 Vibration 3 axes Pression Luminosité Filaire: Humidité + T°ext. T°paroi Consommation : 10 µW Frequence : 1 par 5s Power management avec cold start et multisource 5 capteurs standard RF 868 MHz : 10m indoor >100 m outdoor www.plushaut.be - USB2.0 - Capteurs externes -Energy harvesting -Reseau Polymorphe Valorisation MMA : IOT : Internet of things • Valorisation MMA: • Applications: • • • • • Domotique: T°, humidité, luminosité, … Industrie: T°, vibration, pression, … Environnement Médical … Building www.plushaut.be Energy Harvesting mouvement tres lents • Valorisation Energy Harvester: • • Brevet européen « Energy Harvesting using several energy sources »: dépôt à l’Office Européen des Brevet (OEB) le 21 octobre 2011 Applications Energy Harvester: • • • • • • Mouvements lents: Medipump, respiration, marche, lac, océans, … Mouvements vibratoires: transport, machines, ponts, logistique, … Variations de température: air, moteurs, aéronautique, …Energy Harvester: Miniaturisation 1 cm³ Power 1 mW Multi-sources: mouvements lents, vibration, thermique www.plushaut.be Projet MIFADEMA SIRRIS www.plushaut.be Aerosol Jet Printing → Acquisition de matériel exceptionnel (AJ300CE): équipement remarquable d’impression par dépôt sélectif direct sans masque, multi-matériaux et sur substrats quelconques. Elle permet, par exemple, la réalisation de microcircuits et de composants intégrés sans avoir recours à la technologie de masques. Les dimensions caractéristiques du dépôt vont de 10 microns à un peu plus de 100 microns sur une épaisseur de quelques dizaines de nanomètres à plusieurs microns. 32 Métrologie → Vu la finesse du dépôts, un contrôle visuelle microscopique est nécessaire à la validation et à la compréhension de l’influence des paramètres du procédé de dépôts sur la qualité des pistes ainsi déposées. C’est pour cette raison qu’un équipement de métrologie a été acquis pour la métrologie 3D des pistes déposées par Aérosol Jet Printing. SIRRIS laboratoire de Microfabrication - Miniaturisation Product development Packaged micro-system Microfluidic chip - Replication et fabrication de petite éléments - Fonctionnalisation de surface Hydrophobic µ-texture Printed sensors - micro-texturing - micro-printing - embedded micro-systems (sensors, light sources, …) Embedded LEDs www.plushaut.be © Sirris | SMALL : offre technologique 2 Principal expertise - Micro-Usinage - Micro Moulage et micro-replication + techniques - CAD simulations (incl. CFD) - Micro-Printing - 3D metrology at micro-scale www.plushaut.be © Sirris | www.sirris.be | www.plushaut.be Polymer product development surface engineering printed electronics micro-mechanics micro-fluidics micro-optics packaging traceability sensing … Microfabrication APPLICATIONS www.plushaut.be