Aeroelastic Reduced-Order Modeling and Active Control of Flexible Aircraft

Doctorant : Hugo FOURNIER

Laboratoire INSA : Ampère

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Cette thèse porte sur la modélisation aéroélastique d'un avion, et à son contrôle actif. En utilisant les surfaces de contrôle de l'avion de manière appropriée, il est possible de réduire les charges dues aux rafales de vents et à la turbulence. Cela permet de réduire la masse des structures responsables de maintenir l'intégrité de l'avion, et donc d'améliorer les performances du design global. L’utilisation d’un lidar, un senseur permettant de mesurer la vitesse du vent plusieurs dizaines de mètres à l’avant de l’avion, est envisagée pour améliorer les capacités de réduction de charges. De plus, les futurs avions devraient avoir des ailes plus allongées et flexibles, ce qui réduit la traînée mais crée des effets aéroélastique néfastes. Le flottement est une instabilité pouvant amener à une destruction de l'aile, à haute vitesse. Il peut être annulé ou au moins déplacé en dehors de l'enveloppe de vol grâce au contrôle actif des surfaces de contrôle. Ces deux techniques ont été développées dans la thèse au moyen de diverses techniques de design de contrôleurs, principalement basées sur la synthèse robuste H-infini et ses variantes. Des techniques dédiées pour modéliser la dynamique aéroélastique de l’avion ont été développées. Pour obtenir des modèles d’états d’ordres réduits, avec des contraintes sur les pôles. Pour ce faire, une méthodologie basée directement sur la réponse fréquentielle aéroélastique de l’avion est employée, par opposition aux techniques classiques basées sur des équations mêlant l'aérodynamique et la dynamique structurelle, qui amènent en général à des modèles d’ordre importants, inutilisables par les techniques modernes de synthèse de contrôleurs.

 

« Amélioration de l'efficacité de détection dans le proche infrarouge de photo-détecteurs de type SPAD intégrés dans une technologie CMOS FDSOI »

Doctorant : Shaochen GAO

Laboratoire INSA : INL

Ecole doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique et Automatique)

Cette thèse porte sur la simulation et la caractérisation de diodes à avalanche à photon unique (SPAD) intégrées dans la technologie CMOS FDSOI (Fully-depleted Silicon-on-Insulator) 28nm de STMicroelectronics. L'objectif principal se concentre sur l'amélioration de la probabilité de détection de photons (PDP) de ces dernières. Elles sont composées d'une jonction p-Well/Deep-n-Well dans un substrat silicium. La jonction est insérée sous une fine couche d'oxyde enterrée (BOX) et l'électronique associée est placée dans une fine couche de silicium au-dessus du BOX. Cette implémentation permet de créer un pixel intrinsèquement 3D. Afin d'améliorer la PDP, l'approche de la nanostructuration des tranchées STI présentes nativement dans la zone active a été choisie pour l'illumination par la face avant. En nanostructurant ces tranchées STI, nous pouvons augmenter le taux de photogénération moyen dans les zones photosensibles et ainsi améliorer la PDP. Les simulations électro-optiques sur les diodes SPAD nanostructurées avec un rapport entre la surface de silicium et la surface totale d’un motif périodique variant de 15% à 25% et une période 0,48µm présentent un gain relatif moyen en PDP de 100% et 35% respectivement pour la gamme spectrale de 400-550nm et 550-700nm avec une tension d’excès de 1,5V. Ces résultats nous ont permis de proposer des architectures nanostructurées dans le un circuit de test. Les caractérisations ont montré un gain relatif moyen de 30-50% avec les valeurs absolues de PDP<2,5% pour des tensions d’excès relatives comprises entre 2-4% de la tension de claquage. Même si ces travaux n’ont pas permis d’atteindre les performances de photodétection de l’état de l’art, les résultats de caractérisations électro-optiques restent prometteurs, compte-tenu des contraintes lors des simulations et caractérisations (propriétés optiques des couches d’interconnexions non connues, faible degré de liberté sur le contrôle du procédé de fabrication, compromis entre le DCR (taux de comptage dans l’obscurité) et la PDP relié aux défauts d’interface apportés par les tranchées STI).

 

Fabrication et Caractérisation de Jonctions Tunnel Ferroélectriques à base de Hf0.5Zr0.5O2 pour les Applications Neuromorphiques

Doctorant : Benoit MANCHON

Laboratoire INSA : INL
Ecole doctorale : EDA160 : Électronique, Électrotechnique, Automatique

Une conséquence de la séparation physique entre mémoire et calcul dans l’architecture de Von Neumann est le goulot d’étranglement de la mémoire. L’une des solutions consiste à s’inspirer du fonctionnement du cerveau dans lequel la mémoire (les synapses) est massivement intégrée au sein des unités de calcul (les neurones). Afin d’implémenter ce type d’architecture neuromorphique, il est nécessaire de développer des composants capables de reproduire les fonctions synaptiques. Les Jonctions Tunnel Ferroélectriques (FTJs) sont candidates au rôle de synapse artificielle grâce à leur capacité à moduler la quantité de courant qui les traverse en fonction de la direction de polarisation. La découverte de ferroélectricité dans l’oxyde d’hafnium dopé dès 2011, et plus tard dans le Hf0.5Zr0.5O2 (HZO), a permis de relancer la recherche sur les composants ferroélectriques en offrant une alternative aux pérovskites dont la température de cristallisation est limitante pour les procédés d’intégration industriels.
Dans ce travail, nous avons cherché à réaliser des FTJs à base de HZO pour la réalisation de synapses artificielles. Trois axes de recherche ont été définis : adapter un procédé préexistant de condensateurs ferroélectriques pour la fabrication de FTJ, développer un procédé pour intégrer les FTJs et réduire leurs dimensions, et mettre en place des protocoles de caractérisation et de programmation. Après avoir détaillé le contexte scientifique, les méthodes d’élaboration et de caractérisation sont présentées suivis des procédés de fabrication. Afin d’augmenter les courants tunnel des FTJs, nous avons cherché à réduire l’épaisseur de HZO sans dégrader ses propriétés ferroélectriques ; les solutions que nous avons exploré concernent l’insertion d ’une couche interfaciale, l’utilisation d’électrodes en tungstène et le dépôt par couches atomiques. Après avoir exposé l’étude des propriétés électrique des FTJ ainsi obtenues, nous présentons la caractérisation de l’imprint et de leur dynamique de retournement ainsi qu’un protocole de programmation multi- états.

Configurable Convolutional Neural Networks: Applications to Breast Cancer Explainable Classification and Display Panel Defect Detection

Doctorant : Feng HE

Laboratoire INSA : CREATIS

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Current deep learning methods such as convolutional neural networks (CNNs) are often dedicated to a specific task and object; they are generally fixed in network architecture, which limits their generalizability and prevents them from addressing multiple scenarios with different objectives. To achieve both the explainable classification of breast cancer and the online defect detection of display panels, we propose a configurable convolutional neural network (ConfigNet) capable of being transformed into different configurations according to the tasks and objects in question. The ConfigNet presents two main functional configurations. The first is composed of a feature extraction module (FEM), a decision map generator (DMG) and a classifier; it is devoted to image explainable classification, for which we propose two DMG structures and a weighted average pooling (WAP) classifier for histopathological breast cancer images. The second is an encoder- decoder configuration devoted to object segmentation and localization. In this second configuration, we propose an efficiency-favored decoder and an element-wise feature fusion module (EFFM) guiding the skip connection between the encoder and decoder for online defect detection of display panels. In addition, we develop a spatial and channel attention-guided feature fusion module (SCAFFM) and a bottleneck-structured decoder for breast tumor segmentation. The FEM or encoder in these two configurations is constructed through transfer learning from existing CNNs having deep convolutional layers.

Experimental and Simulation Study of GaN Device Size Limitations for High Efficiency Power Converters

Doctorant : Florian RIGAUD-MINET

Laboratoire INSA : AMPERE
Ecole doctorale : ED160 : Electronique Electrotechnique Automatique

Nowadays the electrification of our society leads to a huge demand for technologies related to power conversion systems. Lateral Gallium Nitride (GaN) transistors made on silicon wafers were shown to be more adapted for high efficiency power conversion over their silicon counterparts in the mid-voltage range (100 V–1000 V) at a reasonable cost. The targeted power converters are phone or laptop chargers, on-board chargers in electric vehicles, datacenter power supplies, micro-inverters for photovoltaics and more- electric-aircraft power converters. Power transistor scaling may be interesting to improve converter efficiency. Indeed, it could on the one hand, reduce the transistor-related charges QXX decreasing the switching time and hence the switching losses or on the other hand, decrease the on-state static resistance RDS,ON. However, the scaling should also result in a reduction of the device breakdown voltage as well as a switching that is more sensitive to parasitics that may have disturbed its stability/losses.
In this thesis the electric field distribution management and the switching losses of  lateral 650 V rated GaN-on-Silicon power devices built at CEA-LETI are studied. To do so, an electrical and physical failure analysis was performed to identify the voltage limitation of lateral GaN-on-Si diode test vehicles with different layout and substrate connections. To study the electric field distribution by Technology Computer Assisted Design (TCAD) using Synopsys® SentaurusTM, the electric field variation should reproduce the experimental breakdown voltage. Thus, a buffer trap calibration method based on experimental protocols was initiated. Finally, a new hard switching characterization test bench was set up to study the transistor design and manufacturing process impact on the switching losses of lateral GaN-on-Si transistors. The results help to derive guidelines for the technology and design scaling of the future generations of fully recessed GaN-on-Si Metal Insulator Semiconductor High Electron Mobility Transistor (MIS-HEMT).

 

Fabrication et caractérisation de couches minces de l’alliage Si(1- x)Ge(x) pour les détecteurs d’image infra-rouge

Doctorant : Alestair WILSON

Laboratoire INSA : INL
Ecole doctorale : EDA160 : Électronique, Électrotechnique, Automatique

Le silicium-germanium microcristallin (µc-SiGe:H) est un matériau à faible bande interdite dont les propriétés optiques et électriques dépendent fortement des conditions de dépôt. Dans ce travail, un capteur proche infrarouge (NIR) compatible avec les circuits intégrés (above-IC), basé sur le silicium-germanium microcristallin, est produit et caractérisé. La photodiode N-I-P est obtenue par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à haute fréquence (RF-PECVD) à partir d'un mélange gazeux SiH4 + GeH4 + H2. Les mesures d'efficacité quantique révèlent qu'une fraction de Ge de 60 at.% est optimale pour une couche d'absorbeur intrinsèque µc-SiGe:H de 200 nm d'épaisseur. Au- delà de ce seuil, la dégradation des propriétés électriques prévaut sur le gain en absorption. L'application d'une polarisation inverse externe à la photodiode améliore encore l'efficacité quantique, en particulier dans la gamme spectrale de 800 à 1200 nm.

Multiphysics characterization of gan materials and devices for power applications

Doctorant : Atse Julien Eric N'DOHI

Laboratoire INSA : Ampère

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Malgré ses avantages technologiques, Le silicium présente des limites en raison de son incapacité à opérer sous haute tension à température et pression élevée. Ainsi, le besoin de recourir aux matériaux ayant des propriétés supérieures à celles du silicium est de plus en plus grandissant. Les semi-conducteurs à grande bande d’énergie interdite comme le Carbure de silicium (SiC), le nitrure de gallium (GaN) et le diamant montrent les potentialités à travailler sous haute tension à cause de leur propriété physique respective. Cependant, le chemin pour atteindre une série de production effective avec une maturité technologique et industrielle est encore longue parce que les récentes recherches ont montré que leur performance en tant que composants de puissance est épinglée par quelques phénomènes physiques comme l'apparition de défauts, les effets de contraintes mécaniques, le control du dopage de la couche ou la région active, les fuites et perte d’énergie. Ainsi, une analyse profonde de ces problèmes fondamentaux est requise pour permettre de trouver les solutions adéquates en vue d’optimiser leur performance. Dans cette thèse, nous avons confronté les propriétés physiques et électriques des matériaux et dispositifs GaN à travers une approche de caractérisations multi physiques et électrique tels que le micro Raman la cathodoluminescence et les mesures classiques de courant-tension I(V). L'objectif est de sonder la performance physique de ces matériaux de puissance, surtout ceux conçu à base du GaN parce que la mobilité des porteurs de charges dans le GaN et son énergie de bande interdite permettent aux composants de puissances fabriqués à base du GaN d’opérer dans les commutations de fréquences et radio fréquence élevée que ceux du SiC. Ainsi, le couplage de ces méthodes de caractérisation nous a permis d'avoir une vue profonde des mécanismes physiques qui régissent la performance du GaN sous haute tension et à saisir la contradiction existant entre les paramètres théoriques physiques et expérimentale.

Conception et fabrication de dispositifs bipolaires haute tension basés sur 4H-SiC

Doctorant : Ali AMMAR

Laboratoire INSA : Ampère

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

L'objectif principal de cette thèse est de concevoir et fabriquer un BJT npn haute tension (2x2 mm2) à base de 4H-SiC avec la capacité de supporter et de bloquer plus de 10 kV en plus d'un gain de courant décent (β). Les fonctionnalités qui améliorent l'efficacité de la protection périphérique des dispositifs bipolaires et augmentent la tension de blocage, telles que l'extension de terminaison de jonction et les anneaux de garde, ont été étudiées et intégrées dans un modèle entièrement optimisé validé par des simulations TCAD avant le processus de fabrication. Onze niveaux photolithographiques ont été traités lors de la fabrication des dispositifs de puissance. La protection périphérique est constituée d'un JTE de 360 µm de long réalisé par implantation d'Al avec une dose de 1013 cm-2 vérifiée à partir de simulations. Six anneaux de garde sont ajoutés chacun de 5 µm de long avec un espace initial de 4 µm entre le JTE et le premier anneau. Après cela, un incrément d'espace de 0,5 µm est ajouté à l'initial, chaque fois qu'un anneau est ajouté (c'est-à-dire que l'espace entre le 1er et le 2ème anneau est de 4,5 µm, entre le 2ème et le 3ème est de 5 µm). Quatre plaquettes ont été traitées dans une salle blanche à l'ESIEE Paris, et des caractérisations inverses à haute tension ont été réalisées à l'aide d'une station de sonde sous vide à l'Institut de Saint-Louis, France. Le BJT npn fabriqué a enregistré une tension de claquage à émetteur ouvert BVCBO jusqu'à +11 kV avec une densité de courant de fuite de 0,1 mA/cm2. Les caractérisations directes I-V ont été réalisées à température ambiante au laboratoire Ampère à Lyon. Le gain de courant continu maximum atteint par la zone active de 0,56 mm2 est de (β = 27) à un courant de base (IB = 80 mA) et une tension de collecteur VCE = 13 V, ce qui donne une densité de courant de 123 A/cm2.

Méthodes de reconstruction avancées en tomographie dentaire par faisceau conique

Doctorante : Louise FRIOT--GIROUX

Laboratoire INSA : CREATIS
Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

La tomographie par rayons X est une technique très utilisée en imagerie médicale pour observer les structures anatomiques des patients. A partir de mesures de l’absorption  des rayons X par les tissus, un processus de reconstruction permet d’obtenir des images du volume observé. En imagerie dentaire, le CBCT utilise un faisceau de rayons X  conique et permet d’imager rapidement le volume 3D de la mâchoire. L’exposition aux rayons X est cependant dangereuse pour la santé, et l’enjeu principal de la tomographie X est d’obtenir des images de bonne qualité avec une dose minimale.
Les méthodes analytiques offrent des reconstructions rapides mais peu robustes lorsque les projections sont bruitées ou en faible nombre. Les méthodes itératives donnent la possibilité de prendre en compte la modélisation physique du problème et des connaissances a priori sur le volume. Récemment, l’essor des méthodes d’apprentissage profond et leur application au traitement des images ont suggéré de nouvelles pistes de recherche en tomographie.
L’objectif de cette thèse est d’implémenter des méthodes de reconstruction fiables et efficaces pour la reconstruction tomographique faible dose en imagerie dentaire.
Trois algorithmes itératifs, appliquant une régularisation par variation totale, ont été implémentés et appliqués sur fantômes et données réelles faibles doses. Les résultats ont montré la supériorité des méthodes itératives sur les méthodes analytiques.
Nous avons également testé les méthodes d’apprentissage profond en reconstruction tomographique. Des réseaux ont été entraînés de manière supervisée pour améliorer la qualité des images reconstruites avec faible dose. Les résultats ont été comparés avec ceux d’une méthode itérative.
Différentes méthodes de reconstruction tomographique ont été appliquées sur fantômes et données réelles. Les méthodes itératives ont montré de meilleurs résultats que la méthode analytique. Les méthodes d’apprentissage profond, s’appliquent sur reconstruction analytiques et surpassent les méthodes itératives en termes de temps de reconstruction, avec une meilleure qualité d’images.

Étude et optimisation de capteurs d’oxyde d’azote (NO2) à base de couches sensible de dioxyde d'étain (SnO2) pour des applications aux mesures de la qualité de l’air.

Doctorant : Antonio ASSAF

Laboratoire INSA : INL
Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Le besoin en capteurs de gaz évolue avec le développement des applications dans les domaines de l’industrie et de l’automobile. Pour répondre à cette demande, les capteurs à base d’oxyde métallique présentent des avantages uniques comme leur faible coût, une grande sensibilité et une intégration facile dans un système portable miniaturisé. Cependant, ces capteurs souffrent d'un coût énergétique élevé du fait de leurs hautes températures de fonctionnement. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail est d'optimiser les capteurs à base de dioxyde d'étain afin d'abaisser leur température de fonctionnement. Le gaz cible dans cette étude est le dioxyde d'azote (NO2).
D’abord, nous avons optimisé la synthèse des films de SnO2 élaborés par pulvérisation réactive à radio fréquence de manière à obtenir les caractéristiques morphologiques, stœchiométriques et électriques les plus adaptées à la détection de gaz. Aussi, nous avons également optimisé le dépôt de couches de palladium à la surface des films de SnO2 par évaporation servant de catalyseurs.
Par la suite, nous avons simulé l'architecture du capteur (électrodes interdigitées + film sensible) à l'aide du logiciel SILVACO TCAD afin d’optimiser la géométrie du capteur. Des capteurs à base de SnO2 sans catalyseur ont ensuite été développés afin de sélectionner la géométrie optimale pour la détection du NO2. Le capteur retenu possède une température de fonctionnement optimale de 100°C pour la détection de NO2, avec une limite de détection de 250 ppb.
Finalement, des capteurs à base de SnO2 dopé au palladium ont été conçus. Ces capteurs montrent une bonne sensibilité au NO2 à très basse température (50°C). Ce résultat est l’aboutissement du projet dont l’objectif à terme vise la réalisation de capteurs de gaz à base oxyde métallique à faible consommation d’énergie.