Offre de thèse
CARDIOSAW : Capteurs sans fil à ondes élastiques de surface pour la mesure de la pression intraventriculaire
Date limite de candidature
30-05-2024
Date de début de contrat
01-10-2024
Directeur de thèse
HAGE-ALI Sami
Encadrement
Réunion hebdomadaires et suivi régulier. Formation dans tous les domaines nécessités par le projet doctoral et professionnel
Type de contrat
école doctorale
équipe
DEPARTEMENT 4 - N2EV : 405 - Micro & Nanosystèmescontexte
La pression intraventriculaire est une donnée fondamentale pour un grand nombre de pathologies cardiaques [1]. Pour les dispositifs de mesure implantables, la gestion de l'énergie est cruciale et la nécessité de changer/recharger les batteries est un véritable problème. Pour cette raison, des dispositifs sans fil et sans batterie, comme le système CARDIOMEMS [2] présente un intérêt clair, mais ce dernier est très cher, encombrant et avec une portée d'interrogation faible. Dans ce contexte, les capteurs à ondes élastiques de surface (SAW), qui sont sans fil, sans batterie et interrogeables jusqu'à plusieurs mètres en champ lointain grâce à des interrogateurs dédiés sont particulièrement attractifs. Leur intérêt a déjà été démontré dans le cadre de l'électronique sur peau [3]. Les mesures de pression sont réalisées grâce à un dispositif à membrane déformable avec une chambre de référence. La déformation de la membrane impacte la géométrie du capteur ainsi que la vélocité de l'onde, ce qui est détecté par un changement de fréquence ou de délai [4]. Dans le passé, les mesures SAW sans fil dans les milieux à fortes pertes électromagnétiques était ardues, mais les progrès récents, notamment des interrogateurs sans fil, a rendu les mesures possibles en milieu aqueux [5] ou celui du corps humain [6]. La rupture proposée ici réside dans l'utilisation de substrats composites de type piézoélectriques sur isolants POI [7],[8] qui constituent une révolution dans le domaine comparé aux substrats piézoélectriques massifs. Parmi leurs nombreux avantages, ils permettent l'obtention de meilleurs facteurs de qualité, coefficient de couplages électromagnétique, et donc un meilleur niveau de signal rétrodiffusé et une meilleure portée. Pour les capteurs de pressions, ils pourront permettre la réalisation de membranes, tout en gardant un effet POI grâce à un usinage de volume maitrisé. En addition d'une rupture claire sur le capteur, le projet mettra en œuvre des antennes ultra-conformables et étirables innovantes [3] sur élastomère, ce qui permettra une implantation harmonieuse.spécialité
Sciences des Matériauxlaboratoire
IJL - INSTITUT JEAN LAMOUR
Mots clés
Capteur, biomédical, ondes élastiques de surface, pression, sans fil
Détail de l'offre
Description du sujet de thèse et objectifs
La pression intraventriculaire est une donnée fondamentale pour un grand nombre de pathologies cardiaques [1]. Pour les dispositifs de mesure implantables, la gestion de l'énergie est cruciale et la nécessité de changer/recharger les batteries est un véritable problème. Pour cette raison, des dispositifs sans fil et sans batterie, comme le système CARDIOMEMS [2] présente un intérêt clair, mais ce dernier est très cher, encombrant et avec une portée d'interrogation faible.
Dans ce contexte, les capteurs à ondes élastiques de surface (SAW), qui sont sans fil, sans batterie et interrogeables jusqu'à plusieurs mètres en champ lointain grâce à des interrogateurs dédiés sont particulièrement attractifs. Leur intérêt a déjà été démontré dans le cadre de l'électronique sur peau [3]. Les mesures de pression sont réalisées grâce à un dispositif à membrane déformable avec une chambre de référence. La déformation de la membrane impacte la géométrie du capteur ainsi que la vélocité de l'onde, ce qui est détecté par un changement de fréquence ou de délai [4]. Dans le passé, les mesures SAW sans fil dans les milieux à fortes pertes électromagnétiques était ardues, mais les progrès récents, notamment des interrogateurs sans fil, a rendu les mesures possibles en milieu aqueux [5] ou celui du corps humain [6].
La rupture proposée ici réside dans l'utilisation de substrats composites de type piézoélectriques sur isolants POI [7],[8] qui constituent une révolution dans le domaine comparé aux substrats piézoélectriques massifs. Parmi leurs nombreux avantages, ils permettent l'obtention de meilleurs facteurs de qualité, coefficient de couplages électromagnétique, et donc un meilleur niveau de signal rétrodiffusé et une meilleure portée. Pour les capteurs de pressions, ils pourront permettre la réalisation de membranes, tout en gardant un effet POI grâce à un usinage de volume maitrisé. En addition d'une rupture claire sur le capteur, le projet mettra en œuvre des antennes ultra-conformables et étirables innovantes [3] sur élastomère, ce qui permettra une implantation harmonieuse.
Le principal résultat attendu est la production d'un démonstrateur performants ex-vivo d'un capteur de pression SAW sans fil dans un milieu fortes pertes.
Profil et environnement de travail
Le profil recherché est un(e) master/ingénieur(e) spécialisé(e) dans un ou des domaines suivants : mécanique, physique appliquée, microsystèmes, microtechnologies, électronique, RF, passionné(e) par le domaine biomédical et la recherche pluridisciplinaire.
Ce sujet de doctorat comporte des composants théoriques et expérimentaux :
Modélisation mécanique du capteur, microfabrication de microcapteurs sur membranes en salle blanche, réalisation d'un banc de test de pression. Selon les compétences, les aspects d'antennes/ télétransmissions dans l'environnement du corps humain seront également abordés.
Le/la candidat(e) bénéficiera d'un environnement de recherche complet à l'Institut Jean Lamour (IJL), un des plus grands laboratoires européens en sciences des matériaux, au sein du département Nanomatériaux, Electronique et Vivant. L'IJL possède un environnement de recherche à la pointe de la technologie (salle blanche, microscopies MEB/TEM de très haut niveau, chambre anéchoïde…). Le/la candidat(e) mènera son projet de doctorat au sein de l'équipe de recherche « Micronanosystèmes » qui bénéficie d'une forte expertise ans dans le développement de capteurs SAW, avec une montée en puissance des activités autour du vivant et des applications biomédicales.
Tous les anciens doctorants de l'équipe sont insérés soit comme chercheur ou enseignant-chercheur, ou comme cadre dans de grandes entreprises.
Keywords
Sensor, biomédical, surface acoustic waves, pressure, wireless
Subject details
PhD objectives Intraventricular pressure is a fundamental factor for a large number of cardiac pathologies [1]. For implantable biomedical devices, power management is crucial and the need to change/recharge batteries is a real issue. For this reason, wireless and battery-free devices, such as the CARDIOMEMS system [2] are of clear interest, but the latter is very expensive, bulky and with a low interrogation range. In this context, surface acoustic wave (SAW) sensors, which are wireless, battery-free and remotely queryable up to several meters in the far field using dedicated interrogators, are particularly attractive. Their interest has already been demonstrated in the context of electronics on skin [3]. SAW pressure measurements are carried out using a deformable membrane device with a reference chamber. The deformation of the membrane impacts the geometry of the sensor as well as the velocity of the wave, which is detected by a change in the frequency or the delay [4]. In the past, wireless SAW measurements in environments with high electromagnetic losses were difficult, but recent advances, notably in wireless interrogators, have made measurements possible in aqueous environments [5] or that of the human body [6]. The breakthrough proposed here lies in the use of piezoelectric type composite substrates on POI insulators [7], [8] which constitute a revolution in the field compared to bulk piezoelectric substrates. Among their many advantages, they make it possible to obtain better quality factors, electromagnetic coupling coefficient, and therefore a better level of backscattered signal and a better range. For pressure sensors, they will allow the production of membranes, while maintaining a POI effect thanks to controlled volume machining. In addition to a clear break on the sensor, the project will implement innovative ultra-conformable and stretchable antennas [3] on elastomer, which will allow harmonious implantation. The main expected result of the PhD work is the production of a high-performance ex-vivo demonstrator of a wireless SAW pressure sensor in a high loss environment. Applicants profile and research environment The sought applicant's profile is a master's degree/engineer specialized in one or more of the following fields: mechanics, applied physics, microsystems, microtechnologies, electronics, RF, passionate about the biomedical field and multidisciplinary research. This doctoral subject includes theoretical and experimental components: mechanical modeling of the sensor, microfabrication of microsensors on membranes in a clean room, creation of a pressure test bench. Depending on the applicant's background, the aspects of antennas/tele-transmissions in the environment of the human body will also be addressed. The candidate will benefit from a complete research environment at the Jean Lamour Institute (IJL), one of the largest European laboratories in materials sciences, within the Nanomaterials, Electronics and Life department. The IJL has a state-of-the-art research environment (clean room, very high-level SEM/TEM microscopies, anechoic chamber, etc.). The candidate will carry out his/her doctoral project within the “Micronanosystems” research team which benefits from strong expertise in the development of SAW sensors, with an increase in activities around living things and biomedical applications. All the team's former doctoral students are employed either as researchers or teacher-researchers, or as executives in large companies.
Profil du candidat
Le profil recherché est un(e) master/ingénieur(e) spécialisé(e) dans un ou des domaines suivants : mécanique, physique appliquée, microsystèmes, microtechnologies, électronique, RF, passionné(e) par le domaine biomédical et la recherche pluridisciplinaire.
Candidate profile
The sought applicant's profile is a master's degree/engineer specialized in one or more of the following fields: mechanics, applied physics, microsystems, microtechnologies, electronics, RF, passionate about the biomedical field and multidisciplinary research.
Référence biblio
[1] M. Courtois, S. J. Kovács, and P. A. Ludbrook, “Physiological early diastolic intraventricular pressure gradient is lost during acute myocardial ischemia.,” Circulation, vol. 81, no. 5, pp. 1688–1696, May 1990, doi: 10.1161/01.CIR.81.5.1688.
[2] “About the CardioMEMS HF System.” https://www.cardiovascular.abbott/us/en/hcp/products/heart-failure/pulmonary-pressure-monitors/cardiomems/about.html (accessed Jun. 30, 2023).
[3] C. Floer, S. Hage-Ali, L. Verzellesi, L. Badie, O. Elmazria, and S. Zhgoon, “Wireless stretchable SAW sensors based on Z-cut lithium niobate,” in 2019 IEEE SENSORS, Oct. 2019, pp. 1–3. doi: 10.1109/SENSORS43011.2019.8956784.
[4] P. Nicolay et al., “A LN/Si-Based SAW Pressure Sensor,” Sensors, vol. 18, no. 10, Art. no. 10, Oct. 2018, doi: 10.3390/s18103482.
[5] R. Shi et al., “SAW Tags With Enhanced Penetration Depth for Buried Assets Identification (Aug. 2020),” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 68, no. 9, pp. 8863–8873, Sep. 2021, doi: 10.1109/TIE.2020.3018056.
[6] L. Zou, C. McLeod, and M. R. Bahmanyar, “Wireless Interrogation of Implantable SAW Sensors,” IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 67, no. 5, pp. 1409–1417, May 2020, doi: 10.1109/TBME.2019.2937224.
[7] E. Butaud et al., “Smart CutTM Piezo On Insulator (POI) substrates for high performances SAW components,” in 2020 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), Sep. 2020, pp. 1–4. doi: 10.1109/IUS46767.2020.9251517.
[8] B. Paulmier, S. Hage-Ali, J. Maufay, D. Ba, H. Mjahed, T. Aubert, and O. Elmazria, “LiNbO3/SiO2/Si Poi Heterostructure Surface Acoustic Wave Sensor for Intermediate High Temperatures,” IEEE Ultrasonics Symposium IUS 2023, Montréal, Canada, Sept. 2023