Les chercheurs dévoilent un capteur aux capacités de détection inégalées

Des chercheurs américains ont développé un capteur innovant qui pourrait marquer le début d’une nouvelle ère pour les radars à ondes millimétriques. Ce capteur, qualifié de « mission impossible » rendue possible, présente des caractéristiques impressionnantes en termes de précision et de taille.

Un capteur révolutionnaire

Les radars à ondes millimétriques envoient des ondes électromagnétiques rapides vers des cibles pour analyser leur mouvement, leur position et leur vitesse à partir des ondes réfléchies. Les avantages des ondes millimétriques sont leur sensibilité naturelle aux mouvements à petite échelle et leur capacité à se concentrer sur et à détecter des données provenant d’objets microscopiques.

Le nouveau capteur utilise une conception innovante de radar à ondes millimétriques pour détecter des vibrations mille fois plus petites et des changements de position d’une cible cent fois plus petits qu’un brin de cheveu humain. Il est ainsi aussi précis, voire plus, que les capteurs les plus performants au monde. De plus, contrairement à ses homologues, ce capteur est de la taille d’une graine de sésame, peu coûteux à produire et dispose d’une longue durée de vie de la batterie.

Le défi des ondes millimétriques

Les ondes millimétriques sont des fréquences électromagnétiques situées entre les micro-ondes et l’infrarouge, allant de 30 à 300 gigahertz. Elles permettent des réseaux de communication rapides, tels que la 5G, et sont recherchées pour leurs capacités de détection à courte portée. Cependant, elles présentent des défis en raison de leur consommation d’énergie élevée et des performances limitées des semi-conducteurs à ces fréquences.

Le principal problème auquel l’équipe a été confrontée pendant la première année de travail sur le capteur était de se concentrer sur la source souhaitée. Le bruit était si important que, lorsque les chercheurs tentaient de capter le signal délicat d’un petit feuillage s’amincissant, leurs capteurs étaient submergés.

Une approche innovante pour résoudre le problème

Hao Wang, un doctorant en génie électrique du laboratoire High-Speed Integrated Systems de Momeni, a eu l’idée d’annuler le bruit avec lui-même. Cette approche permettrait de résoudre le problème auquel leurs capteurs étaient confrontés. Wang travaillait déjà sur une puce pour sa thèse qui visait à accomplir cela.

Le laboratoire a rapidement assemblé un prototype pour tester l’idée de Hao Wang, et cela a fonctionné dès la première tentative. Le prototype a réussi car il leur a permis de gérer le volume de bruit reçu par leur capteur comme un simple problème arithmétique. Ils ont soustrait le bruit inutile tout en maintenant la sensibilité de leur mesure et l’intégrité de leurs données.

Potentiel et applications futures

La puce de Hao Wang est simple à produire et présente une conception unique qui améliore considérablement l’efficacité énergétique du capteur à ondes millimétriques. Ces avancées pourraient résoudre deux des problèmes les plus importants auxquels sont confrontés les capteurs à ondes millimétriques : la consommation d’énergie élevée et les performances limitées des transistors à semi-conducteurs en termes de bruit, de gain et de puissance de sortie.

Alors que l’équipe continue d’affiner et d’itérer sur leur conception, elle est enthousiaste à l’idée que d’autres chercheurs expérimentent avec. En dehors de leur projet FFAR, ils pensent que le capteur a du potentiel pour détecter l’intégrité structurelle des bâtiments et améliorer la réalité virtuelle, mais ils estiment qu’il a encore plus de potentiel qu’ils ne le réalisent actuellement.

En synthèse

Le capteur développé par les chercheurs de l’Université de Californie à Davis représente une avancée majeure dans le domaine des radars à ondes millimétriques. Grâce à sa conception innovante, il offre une précision et une sensibilité exceptionnelles, tout en étant de petite taille et économe en énergie. Les applications potentielles de ce capteur sont nombreuses, allant de la surveillance de l’état hydrique des plantes à la détection de l’intégrité structurelle des bâtiments et l’amélioration de la réalité virtuelle. Les chercheurs continueront à travailler sur cette technologie prometteuse pour explorer et exploiter pleinement son potentiel.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce que le radar à ondes millimétriques ?

Le radar à ondes millimétriques envoie des ondes électromagnétiques rapides vers des cibles pour analyser leur mouvement, leur position et leur vitesse à partir des ondes réfléchies. Les ondes millimétriques sont sensibles aux mouvements à petite échelle et peuvent se concentrer sur des objets microscopiques.

2. Quels sont les défis liés aux ondes millimétriques ?

Les ondes millimétriques présentent des défis en raison de leur consommation d’énergie élevée et des performances limitées des semi-conducteurs à ces fréquences. Le bruit est également un problème majeur lors de la détection de signaux faibles.

3. Comment les chercheurs ont-ils résolu le problème du bruit ?

Hao Wang, un doctorant en génie électrique, a proposé d’annuler le bruit avec lui-même. Cette approche a permis de soustraire le bruit inutile tout en maintenant la sensibilité de la mesure et l’intégrité des données.

4. Quelles sont les caractéristiques du nouveau capteur ?

Le nouveau capteur est capable de détecter des vibrations mille fois plus petites et des changements de position d’une cible cent fois plus petits qu’un brin de cheveu humain. Il est de la taille d’une graine de sésame, peu coûteux à produire et dispose d’une longue durée de vie de la batterie.

5. Quelles sont les applications potentielles de ce capteur ?

Les applications potentielles incluent la surveillance de l’état hydrique des plantes, la détection de l’intégrité structurelle des bâtiments et l’amélioration de la réalité virtuelle. Les chercheurs estiment que le capteur a encore plus de potentiel qu’ils ne le réalisent actuellement.

Légende illustration principale : Ce prototype de capteur radar à ondes millimétriques mis au point à l’UC Davis est capable de mesurer des vibrations et des mouvements extrêmement faibles tout en étant économe en énergie et peu coûteux à produire. (Omeed Momeni/UC Davis)

Article : « A Highly Accurate and Sensitive mmWave Displacement-Sensing Doppler Radar With a Quadrature-Less Edge-Driven Phase Demodulator » – https://ieeexplore.ieee.org/document/10107746