Blindage électromagnétique optiquement transparent à ajustement dynamique en efficacité

Optically transparent electromagnetic shields with dynamic effectiveness adaptation

• Auteur / Autrice : Quentin Tricas
• Direction : Philippe Besnier, Xavier Castel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 20/05/2022
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : MATHSTIC
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Paule Besland
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Élodie Richalot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Bonnet, Aurelian Crunteanu-Stànescu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Oxydes de vanadium

Blindage (électricité)

Mots clés libres

Efficacité de blindage (EB)

Dioxyde de vanadium (VO2)

Matériaux à transition isolant-Métal

Couches minces

Liquides polaires

Dispositifs actifs

Hyperfréquences

Shielding effectiveness (SE)

Vanadium dioxide (VO2)

Insulator to metal transition materials

Thin films

Surface mounted devices (SMD)

Polar liquids

Résumé

Ces travaux de thèse portent sur la conception, la fabrication et la caractérisation d’écrans de blindage électromagnétique à efficacité dynamique dans le domaine des fréquences micro-ondes (2 à 34 GHz en mesure). Ces écrans doivent rester transparents dans le visible et le proche infrarouge afin d’assurer l’opérationnalité des capteurs optiques au sein du système. Le contrôle de l’efficacité de blindage est assuré par la modulation de l’impédance de contact entre l’écran constitué d’une couche mince métallique micromaillée et son châssis. Trois solutions distinctes ont été étudiées au cours de cette thèse. Le premier concept développé repose sur l’utilisation d’un matériau à transition de phase isolant-métal, VO2, déposé en couche mince par pulvérisation cathodique RF sur substrat de saphir orienté C. L’optimisation des conditions de dépôt, ainsi que la mise en œuvre et la caractérisation des écrans de blindage associés sont présentées. Un important contraste d’efficacité de blindage (25 dB max.) est obtenu entre la mesure à température ambiante, à laquelle le matériau VO2 est dans l’état isolant électrique, et la mesure à 75°C, température à laquelle VO2 est conducteur. L’ajout d’une couche ultramince d’or, assurant le rôle de suscepteur, permet à l’écran de blindage de devenir auto-adaptatif, le champ électromagnétique d’agression étant lui-même à l’origine de l’élévation de température nécessaire. Le second concept développé concerne le déploiement d’un ensemble de diodes PIN en périphérie de l’écran. Le contrôle de la polarisation de ces diodes permet la modulation de l’impédance de contact et donc la variation de l’efficacité de blindage de l’écran. Un contraste d’efficacité de blindage pouvant atteindre 25 dB est ainsi mesuré en deçà de 10,5 GHz, fréquence limite de fonctionnement, dans cette configuration, des diodes PIN sélectionnées. L’ajout d’une électronique de détection permet également à l’écran de devenir auto-adaptatif. Enfin, la troisième solution emploie un canal microfluidique périphérique, rempli ou non d’un liquide conducteur et/ou polaire. Ces liquides assurent la diminution de l’impédance de connexion périphérique et donc l’augmentation de l’efficacité de blindage de l’écran. D’excellents contrastes d’efficacité de blindage (27 dB max.) ont également été mesurés dans la bande de fréquence d’intérêt.

This thesis presents the conception, fabrication, and characterization of dynamic electromagnetic shielding screens operating in the microwave range (2-34 GHz is measurements). These screens must remain transparent in the visible and near-infrared range, to ensure correct performances of optical sensors in the system. The shielding effectiveness control is ensured by the modulation of the contact impedance in between a screen, bearing a micro-meshed metallic thin film, and its frame. Three distinct solutions were studied during this thesis. The first concept is based on the use of a phase transition material, VO2, deposited in thin film form on C-cut sapphire substrates, using cathodic RF sputtering. The optimization of the deposition conditions, as well as the fabrication and characterization of the resulting shield is presented. A consequent contrast (up to 25 dB) is obtained in between measurement at room temperature, at which VO2 is an electrical insulator, and measurement at 75°C, at which VO2 is conductive. By adding an ultra-thin gold layer acting as a suceptor, the screen becomes auto-adaptative, as the electromagnetic field alone can then raise the screen to the requested temperature. A second shield is then described and characterized. It is based on PIN diodes, integrated in the periphery of the screen. Controlling the polarization of the diodes allows for the screen’s shielding effectiveness to vary, by modifying the contact impedance. A contrast of up to 25 dB is reported bellow 10.5 GHz, frequency at which the diodes stop being efficient in this configuration. By adding detection electronics, the shield becomes auto-adaptative. The third solution is using a peripheral microfluidic canal, filed or not of conductive and/or polar liquid. Those liquids allow for the diminution of the peripheral connection’s impedance, and thus the increase of the shielding effectiveness of the screen. Excellent shielding effectiveness contrast (up to 27 dB) where measured in the studied frequency band.