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Conception d'un tag NFC intégrant une zone interactive d'activation

Fanny Tricot
Promotion 2012
Mise en ligne : Janvier 2014

Résumé du projet de fin d'études encadré
par Denis Curtil (Grenoble INP-Pagora)
Partenaire : Yooget

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La Cellulose réunit les anciens élèves de Grenoble INP-Pagora (ingénieurs et diplômés de licence professionnelle). Chaque année, l'association attribue le Prix de La Cellulose à un(e) jeune ingénieur(e) diplômé(e) de l'école qui s'est distingué(e) par son travail tout au long de son parcours scolaire et particulièrement durant sa troisième année d’études, au travers de son projet de fin d’études (PFE). La participation à ce Prix est individuelle, gratuite et ouverte à tous les élèves-ingénieurs de Grenoble INP-Pagora ayant été diplômés l’année en cours.
Le Prix de La Cellulose est remis au (à la) gagnant(e) lors de la cérémonie de remise des diplômes.
Voici le résumé du projet de fin d'études d'une ingénieure diplômée en 2012, lauréate du Prix de la Cellulose.

I - Objectif et réalisation

Voir aussi

Le but de cette étude est de concevoir l'antenne d'un tag NFC (Near Field Communication), pensé par la société Yooget, destiné à communiquer avec un smartphone pourvu d'un lecteur adapté. Le tag est constitué d'une puce électronique, assemblée à une antenne boucle, dont la taille est au plus égale à celle du lecteur. La technologie NFC dérive de la communication par radio fréquence, RFID. Un lecteur génère un champ électromagnétique centré sur une fréquence de 13,56MHz. Lorsqu'un tag NFC entre dans ce champ, il s'active et transmet les informations qu'il contient. Les performances de communication de l'antenne dépendent de la faible valeur de sa résistance électrique, et de son grand nombre de spires. Autre élément notable de l'antenne, le strap fermant le circuit constitué par l'antenne sans court-circuit. Il est composé d'un isolant placé sur les spires situées entre les extrémités de l'antenne, recouvert d'une piste conductrice reliant ces dernières.

Pour être intégré sur des supports variés, la conception du tag par procédé d'impression jet d'encre, de type Drop On Demand, est considéré. L'encre est stockée dans un réservoir mobile. Lorsqu'il se trouve sur une zone devant être imprimée, une force provoque l'éjection de gouttes d'encre via l'orifice du réservoir. L'étalement des gouttes dépend des interactions entre l'encre et le substrat utilisés. Pour concevoir une telle antenne, les paramètres du procédé jet d'encre sont adaptés en fonction des couples encre/substrat utilisés, pour ensuite imprimer des antennes de géométries différentes. Puis, un strap, entièrement réalisé par impression, est mis en place.

Matériel
Les supports utilisés sont du polyéthylène naphtalate (PEN) Teonex Q83 (Dupont Teijin Film) et du papier pour électronique imprimée (Arjowiggins). L'encre argent conductrice, Suntronic Solsys Jettable Silver EMD5603 (Sun Chemical) et l'encre primaire UV (Poly-Ink) pour l'isolant sont employées. Les impressions sont faites avec la presse jet d'encre Dimatix DMP 2831. Les valeurs de résistance sont obtenues via un appareil deux pointes. Les antennes imprimées sont assemblées à une puce fournie par l'IES l'institut d'électronique et testées avec un lecteur NFC.

Impression d'encre conductrice
Pour une circulation de courant optimale, les imprimés doivent être les plus uniformes et réguliers possibles et présenter une faible résistance électrique. À cette fin, les paramètres d'impression – espacement des gouttes, tension aux buses, température dans la cartouche – sont réglés pour chaque couple encre/substrat étudié. Les intervalles donnés par le constructeur de la presse sont réduits, puis des variations autour du centre du domaine réduit sont testées. Deuxièmement, l'encre argent étant constituée de nanoparticules, le frittage appliqué conditionne ses performances. Plus les particules sont liées entre elles, plus la résistance électrique est faible. Des températures de 140 à 195°C et des temps d'étuve de 5 à 60 min sont testés. Les conditions retenues permettent une résistance minimale sans dégradation du support. Pour améliorer les résultats précédents, le nombre de surimpressions (couches imprimées l'une sur l'autre) est étudié.

Antenne
Dans les conditions définies précédemment, des antennes boucles ayant la taille du lecteur de tag sont imprimées sur PEN et papier. Le nombre et les dimensions des spires sont fonction des capacités du procédé d'impression préalablement déterminées. Leurs performances sont comparées avec celles d'une antenne d'IES réalisée par voie chimique.

Strap
Il s'agit.d'imprimer une encre isolante sur les spires entre les extrémités de l'antenne, puis l'encre conductrice par-dessus. Le courant ne doit pas circuler entre les spires et la piste conductrice reliant les extrémités. Après avoir ajusté les paramètres du jet d'encre pour les couples encre/substrat mis en jeu, une superposition encre argent/encre isolante/encre argent est imprimée. Le tout est observé en coupe au microscope électronique à balayage (MEB) pour vérifier le non mélange des encres. Une mesure de résistance entre les bandes argent vérifie le caractère isolant.

Résultats
Le protocole établi conduit à des paramètres d'impression similaires pour le PEN et le papier puisque les deux supports possèdent la même énergie de surface. Le papier se dégradant davantage, des conditions de frittage diffèrent selon le support. Sur PEN, un cycle d'évaporation des solvants à 110°C pendant 90 min suivi d'un recuit de 30 min à 195°C est effectué alors que le papier ne supporte qu'un recuit à 180°C pendant 10 min. Enfin, l'optimisation de ces paramètres se traduit par une impression en deux couches sur chaque support. Au delà, la quantité d'encre est trop importante ; les particules ne s'assemblent pas complètement durant le frittage.

Parallèlement, l'étude des capacités de la presse Dimatix donne une largeur de piste (respectivement d'interligne) minimale imprimable variant de 56pm à 216pm (respectivement de 122pm à 362 pm) en fonction de l'orientation horizontale ou verticale de la piste. Les antennes imprimées dans ces conditions et leurs performances sont résumées dans le tableau suivant :

Il apparaît que le facteur prédominant sur les performances des antennes est le nombre de spires qu'elles comportent. Les tests d'impression du strap sont ensuite réalisés. L'observation en coupe au MEB de la superposition encre argent/encre isolante/encre argent montre que les deux bandes argent d'environ 3pm sont nettement séparées par une épaisseur de 25ym d'encre UV. La mesure de résistance entre les deux pistes argent montre qu'aucun courant ne circule. Ce dispositif permet donc de réaliser un strap.

II - Conclusion

L'étude a permis de mettre au point l'impression totale, en jet d'encre, d'une antenne pour tag NFC, capable de communiquer avec un lecteur approprié, sur support plastique et papier.

 
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