Des caméras thermiques haute performance: tour de force technologique et scientifique
Publié par Redbran le 15/05/2019 à 14:00
Source et illustrations: Université de Sherbrooke

Jusqu'à tout récemment, seules les agences militaires pouvaient s'offrir des caméras thermiques à haute performance, le coût de production des puces microélectroniques au coeur de celles-ci étant extrêmement élevé. Devenir les premiers au monde (Le mot monde peut désigner :) capables de fabriquer à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de...) des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension...) d'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes physiques, en...) à haute performance mais à des coûts permettant d'atteindre les marchés civils s'inscrivait dès lors dans une course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) mondiale ! Pour la conduite assistée ou autonome de véhicules la nuit, pour la mesure d'efficacité énergétique (En physique et ingénierie mécanique, l'efficacité énergétique (ou efficacité thermodynamique) est un nombre sans dimension, qui est le rapport entre ce qui peut être...), pour la surveillance environnementale ou pour les services de secours: plusieurs secteurs d'activités allaient tirer avantage de cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) qui permet d'imager les objets en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel en fonction de leur température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle...).

Prix Synergie pour l'innovation

L'objectif a été atteint en 2018, positionnant ainsi le Canada au premier rang ( Mathématiques En algèbre linéaire, le rang d'une famille de vecteurs est la dimension du sous-espace vectoriel engendré par cette famille. Le théorème du rang lie le rang...) dans ce domaine. Les professeurs-chercheurs de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où...) de Sherbrooke Paul Charette, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent...) principal, Serge Charlebois, Luc Fréchette et Dominique Drouin ont travaillé en partenariat avec Teledyne DALSA Semiconductor Incorporated ainsi qu'avec trois chercheurs de l'École Polytechnique de Montréal (Montréal est à la fois région administrative et métropole du Québec[2]. Cette grande agglomération canadienne constitue un centre majeur du commerce, de l'industrie,...) pour en arriver à ce résultat. Le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une...) Fabrication à grande échelle de capteurs d'imagerie infrarouge à haute performance vient de recevoir le Prix Synergie pour l'innovation - Petites et moyennes entreprises du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) !

Le projet s'est échelonné sur 5 ans, soit de 2013 à 2018. On parle d'un budget (Un budget est un document comptable prévisionnel distinguant les recettes et les dépenses.) total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes"....) d'environ 4 M$ en espèces (avec un montant équivalent en nature), qui provient notamment du partenaire industriel, Teledyne DALSA, d'une subvention (Une subvention est une aide financière, c’est-à-dire une somme d’argent, qui est allouée par une institution publique ou privée à une personne ou une organisation privée ou publique...) RDC du CRSNG (Recherche et développement coopérative), du Centre de Collaboration MiQro Innovation (C2MI), de l'UdeS, de Prompt-Québec et de Mitacs.

"Les Prix Synergie pour l'innovation reconnaissent les partenariats de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) et développement en sciences naturelles et en génie entre les universités et les entreprises canadiennes. L'équipe dirigée par Paul Charette a relevé d'importants défis sur le plan des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et des procédés de microfabrication pour grandement réduire les coûts de production sans sacrifier la performance. Cette collaboration est un exemple éloquent du talent que le CRSNG appuie afin de favoriser l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) d'avenues de recherche novatrices et de repousser les limites du savoir", mentionne M. Digvir Jayas, président par intérim du CRSNG.

Premier projet majeur en partenariat industriel avec le 3IT et le C2MI

Plus gros projet en partenariat public-privé de l'histoire de l'UdeS financé par une subvention RDC du CRSNG au moment de son lancement, ce projet a pris forme grâce à la chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) d'innovation reliant le C2MI et l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter...) interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) d'innovation technologique (3IT). En effet, le 3IT permet l'étape importante de développement avant la commercialisation, en favorisant - grâce à ses installations de prototypage rapide en petites quantités - l'expérimentation (L'expérimentation est une méthode scientifique qui consiste à tester par des expériences répétées la validité d'une hypothèse et à obtenir des données quantitatives permettant de...) de nouvelles procédures de microfabrication.

Quant aux espaces du C2MI, ils sont parfaits pour la cohabitation université-industrie. Le lieu est dédié à cette collaboration. Les deux entités s'y rencontrent et travaillent ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une...), en temps réel, précise le chercheur principal, le Pr Paul Charette. Le C2MI a justement pour mandat d'accélérer la commercialisation des microsystèmes complexes, en particulier pour les innovations réalisées en partenariat public-privé. Ce modèle de collaboration est lui-même innovateur, facilite des approches novatrices de gestion de la propriété intellectuelle et est une étape importante de la chaîne complète d'innovation scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.), de la recherche universitaire jusqu'à la mise en marché. La culture (La Culture est une civilisation pan-galactique inventée par Iain M. Banks au travers de ses romans et nouvelles de science-fiction. Décrite avec beaucoup de précision et de détail, La Culture...) universitaire et celle de l'entreprise sont différentes à priori. Mais ce qui est intéressant avec un tel projet, c'est qu'il a contribué à faire cheminer les deux philosophies vers un lieu commun, grâce entre autres à la communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications, nouvelles...), à des ajustements de part et d'autre en continu et à des intérêts qui se rejoignaient.

Défi technique de haut niveau: défi relevé !

Pour atteindre des performances élevées sans avoir à être refroidies, ces puces MEMS, appelées microbolomètres, doivent être encapsulées sous vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), un processus normalement très coûteux. La clé de voûte (Une voûte (ou voute) est un élément architectural de couvrement intérieur d'un édifice présentant un intrados. La voûte travaille comme un arc et son...) pour réaliser les économies d'échelle permettant de réduire suffisamment les coûts de production et ainsi atteindre les marchés civils est l'encapsulation (L'encapsulation en général est la notion de mettre une chose dans une autre. En imageant, on peut voir que cette chose est mise dans une capsule. En particulier, on...) hermétique sous vide de toutes les puces simultanément sur une même tranche (hermetic wafer-level packaging). Au lancement du projet en 2013, aucun fabricant de caméras IR dans le monde n'était capable de ce tour de force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) technologique et scientifique sur tranches de 200 mm.

L'encapsulation des puces est un facteur déterminant dans la réduction de coûts. Les coûts extrêmement élevés encourus par les fabricants actuels sont attribuables directement à la nécessité d'encapsuler les puces individuellement. L'innovation centrale du projet repose justement sur le fait qu'on a développé la technologie requise pour les encapsuler sous vide simultanément sur une même tranche de 200 mm. On a dû revoir la chaîne de fabrication au complet, sourit le chercheur. L'équipe a poussé à l'extrême la science des matériaux (La science des matériaux regroupe les domaines qui étudient la matière qui constitue les objets. Cela va des roches (en géologie) aux métaux en passant par les matériaux de construction (génie civil), les...) et de la microfabrication.

Ce projet de développement de caméras thermiques a d'ailleurs marqué un point (Graphie) tournant à plusieurs niveaux pour Teledyne DALSA.

Au niveau technologique, ce projet nous a permis d'accomplir des progrès significatifs à un rythme qui n'aurait pas été possible sans cette collaboration avec les deux universités. Le fait de regrouper du personnel spécialisé venant de différents horizons et oeuvrant dans des secteurs complémentaires a rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D...) possibles de réelles innovations qui ont mené à la mise au point de technologies et produits réellement différenciés dans le marché autant par leurs performances que par leur coût de fabrication. Au niveau capacité d'innovation, ce projet a ouvert la voie à une nouvelle approche de recherche et développement chez Teledyne DALSA. En effet, depuis les succès vécus dans ce projet, nous avons adapté notre structure interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant...) pour baser de plus en plus nos développements futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) sur la même approche collaborative avec les universités", ajoute M. Claude Jean, vice-président exécutif et directeur général, Teledyne DALSA.

Synergie plus qu'incroyable: un modèle à suivre


L'équipe: Paul Charette (UdeS), Dominique Drouin (UdeS), Oussama Moutanabbir (Poly), Samuel Bassetto (Poly), Serge Charlebois (UdeS), Marc Faucher (Teledyne DALSA), Claude Jean (Teledyne DALSA). Absent: Luc Fréchette (UdeS).Photo: Martin Lipman/CRSNG

Un projet d'envergure (L'envergure est la distance entre les extrémités des ailes. Le terme est valable pour définir un oiseau, un chiroptère, un avion (ou...) qui met en action un maillage cohérent, dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) et flexible de plus d'une cinquantaine de personnes - chercheurs, étudiants, personnels industriels -, c'est plus qu'une réussite. On parle d'une trentaine d'étudiantes et étudiants qui ont été formés aux études supérieures dans le cadre de ce projet, dont plusieurs ont été embauchés par le partenaire après leurs études.

Vers la fin du projet, on ne distinguait plus les étudiants des professionnels de l'industrie. Au début, comme universitaires, on a dû être conscientisés aux enjeux économiques du partenaire industriel alors que, de leur côté, ils ont su s'ouvrir à nos expertises axées sur un horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique, philosophie, littérature, et bien d'autres...) stratégique à plus long terme. Bref, on a dû gagner leur confiance. Mais le résultat a été incroyable. Ce sont justement nos complémentarités d'expertises qui ont permis de surmonter des défis à des niveaux de complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en...) scientifique et d'intégration technologique rarement atteints en partenariat public-privé. Avec de la bonne volonté et de la compétence, on arrive à des résultats extraordinaires, conclut Paul Charette. Et, en terminant, notons simplement que Teledyne DALSA a déjà reçu d'importantes commandes de capteurs d'un des plus importants fabricants mondiaux de caméras thermiques qui ne possède pas la technologie requise pour fabriquer lui-même ces capteurs.
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