Multi-Parameters Miniature Sensor for Water Network Management

par Ferdous Jahan Shaun

Thèse de doctorat en Electronique, Optronique et Systèmes

Sous la direction de Tarik Bourouina.

Soutenue le 07-11-2018

à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes (laboratoire) et de Electronique- Systèmes de communication et Microsystèmes / ESYCOM (laboratoire) .

Le président du jury était Bérengère Lebental.

Le jury était composé de Tarik Bourouina, Elyes Nefzaoui, Jérémie Drevillon.

Les rapporteurs étaient Pascal Nouet, João P. Oliveira.

  • Titre traduit

    Capteurs miniatures multi-paramètres pour la gestion des réseaux d'eau


  • Résumé

    L’eau est une ressource vitale, indispensable à la vie sur terre. A l’instar de nombreuses autres ressources naturelles, l’eau propre à la consommation est soumise à une forte pression à cause de l’impact de l’activité humaine d’une part et de l’augmentation continue de la population mondiale d’autre part. Une pression tellement forte que l’eau propre représente l’un des 17 objectifs de développement durable des Nations Unies. Dans ce contexte, une gestion rationnelle et durable de la ressource s’avère indispensable. Dans ce but, un système intelligent de supervision des réseaux d’eau potable peut s’avérer très utile. Les systèmes existant sont toutefois peu intégrés et compacts, nécessitent souvent une alimentation externe, et restent relativement chers pour un déploiement massif sur les réseaux. La présente thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet de recherche européen, PROTEUS, visant à pallier ces différents problèmes en mettant au point un système de mesure pour la supervision de la ressource en eau permettant la mesure de 9 paramètres physico-chimiques, reconfigurable, et énergétiquement autonome. La contribution de la présente thèse à ce projet porte sur la conception et l’optimisation des différents capteurs physiques (conductivité électrique, pression, température et débit) ainsi qu’à leur co-intégration sur une même puce. Le système proposé montre des performances au moins égales à celle de l’état de l’art en ce qui concerne la robustesse, assurée par la redondance de nombreux éléments sensibles, le domaine de sensibilité et la consommation énergétique. Le présent manuscrit est par conséquent construit comme suit : le premier chapitre est une introduction générale à la supervision de grandeurs environnementales et à la puce multi-capteurs. Le second chapitre décrit la structure de la puce multi-capteurs ainsi que les méthodes de fabrication utilisées, avec une attention particulière accordée aux capteurs de pression et de conductivité électrique. Le troisième chapitre porte sur l’utilisation de résistances électriques pour la mesure de diverses grandeurs physiques, notamment la température. Le dernier chapitre s’attarde plus particulièrement sur l’utilisation de ce type de résistances pour la mesure de débit avant de conclure et de proposer des perspectives pour des travaux futurs


  • Résumé

    Water is a vital element for every living being on the earth. Like many other dwindling natural resources, clean water faces a strong pressure because of human activity and the rapid growth of global population. The situation is so critical that clean water has been identified as one of the seventeenth sustainable development goals of the United Nations. Under these conditions, a sustainable management of water resources is necessary. For this purpose, a smart solution for water networks monitoring can be very helpful. However, commercially available solutions lack compactness, self-powering capabilities cost competitiveness, necessary to enable the large rollout over water networks. The present thesis takes place in the framework of a European research project, PROTEUS, which addresses these different problems by designing and fabricating a multi-parameter sensor chip (MPSC) for water resources monitoring. The MPSC enables the measurement of 9 physical and chemical parameters, is reconfigurable and self-powered. The present thesis addresses more precisely physical sensors, their design, optimization and co-integration on the MPSC. The developed device exhibits state of the art or larger performances with regard to its redundancy, turn-down ratio and power consumption. The present manuscript is split into two main parts: Part-I and Part-II. Part-I deals with non-thermal aspects of the MPSC, the pressure and conductivity sensor for instance, as well as the fabrication process of the whole device (Chapter 1 and 2). The background of environmental monitoring is presented in Chapter 1 along with the State of Art review. Chapter 2 describes fabrication methods of the MPSC. Preliminary characterization results of non-thermal sensors are also reported in this chapter. Chapter 3 and 4, included in Part-II, deal with thermal sensors (temperature and flow-rate). Chapter 3 describes the many possible uses of electric resistances for sensing applications. Finally, in chapter four, we focus on flowrate sensors before concluding and making a few suggestions for future works


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