An ID generating circuit is unquestionably the core of a chipless RFID tag. For convenience of printing process and cost consideration, the circuit should be kept as simple as possible. Based on the cognition, an 8-bit time-domain based ID generating circuit that merely consists of a ML and eight capacitors was offered, and implemented on photo-paper substrates via inkjet printing process. In addition to the experimental measurements, the circuit was also input into circuit simulators for cross-validation. The good agreement between simulations and measurements is observed, exhibiting the tag technical feasibility. Besides of low cost, the tag has wide compatibility with current licensed RFID spectrum, which will facilitate the future deployment in real applications. Compared   to  time-domain   based  chipless   tags,  frequency   signatures   based chipless RFID tags are expected to offer a larger coding capacity. As a response, we presented a 10-bit frequency-domain based chipless RFID tag. The tag composed of ten configurable LC resonators was implemented on flexible polyimide substrate by using  fast  toner-transferring  process.  Field  measurements  revealed  not  only  the practicability  of  the  tag,  but  also  the  high  signal  to  noise  ratio  (SNR).  Another frequency domain tag consists of a configurable coplanar LC resonator. With the use of all printing process, the tag was for the first time realized on common packaging papers.  The tag feasibility was confirmed by subsequent measurements. Owing to the ultra-low cost potential and large SNR, The tag may find wide applications in typical RFID solutions such as management of paper tickets for social events and governing of smart documents. Ultra wide band (UWB) technology possesses a number of inherent merits such as high speed communication and large capacity, multi-path immunity, accurate ranging and positioning, penetration through obstacles, as well as extremely low-cost and low- power transmitters. Thus, passive UWB RFIDs are expected to play an important pole in  the future identification applications for IoT. We explained the feature difference between  UWB  chipless  tags  and  chip  based  tags,  and  forecasted  the  applications respectively  based on the comparison  between the two technologies.  It is expected that the two technologies will coexist and compensate each other in the applications of IoT. Lastly, the thesis ends up with brief summary of the author’s contributions, and technical prospect for the future development of printable chipless RFID tags. / <p>QC 20140304</p>

La RFID, pour Identification par Radio Fréquence, s'est considérablement développée depuis quelques années devenant un mode d'identification et de traçabilité incontournable. Les acteurs du marché sont nombreux et parmi eux, Tageos, société Montpelliéraine, a mis en place dès 2008 un procédé innovant de fabrication de l'étiquette RFID sur papier, économique et écologique. Cependant, même si les performances obtenues lors d'un précédent travail (Thèse C. Ramade 2008-2011) ont été suffisantes pour permettre la production de masse, elles ne sont pas optimales notamment vis-à-vis des résultats établis en laboratoire. C'est dans ce cadre-là que se positionne ce travail de thèse qui s'est réalisé toujours en étroite collaboration entre l'Institut d'Electronique du Sud et la société TAGEOS S.A.S. Nos efforts se sont focalisés : sur l'optimisation du processus de réalisation d'antenne RFID en travaillant sur l'analyse, les méthodes ou protocoles et les moyens techniques sur la préparation du substrat papier, sur des solutions alternatives et complémentaires de réalisation d'antenne RFID et de collage de la puce RFID et sur la fiabilisation et la qualité des produits finis. Par ailleurs, dans ce travail nous avons également démontré la valorisation de notre tag RFID bas coût par l'intégration d'un capteur et de sa fonctionnalité. Le processus de réalisation industriel d'un tel tag est abordé en tenant compte de celui de TAGEOS. / The RFID, for Radio Frequency Identification, has grown considerably in recent years become an essential mode of traceability and identification. Market players are numerous and among them, Tageos (Montpellier, France) established since 2008 an innovative process for manufacturing the RFID tag on paper, economic and ecologic. However, even if the performances obtained during a previous work (Thesis C. Ramade 2008-2011) were sufficient to allow mass production, they are not optimal in particular with respect to the established results in laboratory. It is in this context that ranks this work which is always carried out in close collaboration between the Institute of Electronics of South and TAGEOS company S.A.S. Our efforts were focused : on process optimization of realization of RFID antenna working on the analysis, methods or protocols and technical resources on the preparation of the paper substrate, on alternative and complementary solutions to realize RFID antenna and RFID chip bonding and on the reliability and quality of finished products. Moreover, in this work we have also demonstrated the valorization of our low cost RFID tag by integrating a sensor functionality. The industrial process of producing of this tag taking accounts of TAGEOS process.

Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans la thématique de la récupération d'énergie hyperfréquence, appliquée à la réalisation d'un circuit électronique imprimé sur papier permettant l'alimentation d'afficheurs électrochrome, ceci dans le cadre de la lutte contre la fraude. Cette étude porte plus particulièrement sur la conception, l'optimisation et la réalisation de rectennas (rectifying antennas) imprimées sur support cellulosique et réalisées avec des méthodes d'impression industrielles.La caractérisation des matériaux diélectriques (support papier) et conducteurs a été développée. L'association de la technique des lignes de transmission et de la cavité résonante a permis la caractérisation d'un substrat souple et non cuivré sur une bande de 500 MHz à 3 GHz. Le papier présente des pertes diélectriques contraignantes pour la conception de circuits en hautes fréquences. Un choix judicieux du substrat et une conception optimisée du circuit ont permis de réaliser des circuits de conversion d'énergie sur papier à l'état de l'art international.Deux rectennas compactes ont été développée, en technologie micro-ruban, optimisées et imprimées avec la méthode flexographie utilisant une unique couche d'encre conductrice. Elle fonctionne à 2.45 GHz et elles ne contiennent pas de vias de retour à la masse ni de filtre côté HF, ni de filtre côté DC. La première a été imprimée sur papier carton ondulé. Les tensions de sortie aux bornes de l'afficheur atteignent les 0.5 V pour des niveaux de puissance à l'entrée de la rectenna de l'ordre de -10 dBm. La deuxième rectenna a été imprimée sur support plastique flexible ayant 100 µm d'épaisseur afin de réaliser des rectennas 3D. Une tension DC de 1 V a été mesurée aux bornes de l'afficheur lorsqu'on approche un Smartphone fonctionnant en mode Wi-Fi. Les rectennas réalisées sont adaptées à la fois pour le champ proche et lointain. / The work presented in this thesis is part of microwave energy harvesting theme, applied to supply electrochromic displays for anti-counterfeiting applications. This study focuses on the design, optimization and implementation of rectennas (rectifying antennas) printed on cellulosic substrates with industrial printing techniques.Characterization of dielectric materials (paper) and conductors has been developed. The combination between the transmission line technique and the resonant cavity allowed the characterization of a flexible and copper free substrate over a wideband (500 MHz to 3 GHz). Dielectric losses of paper are too high to perform HF circuits. A wise choice of the substrate and of the optimization technique for circuit design enables performant rectennas.Two compact rectennas were developed in microstrip technology at 2.45 GHz, optimized and printed with flexography method using a single layer of conductive ink. The rectennas do not contain vias or HF side filter or DC side filter. The first rectenna was printed on corrugated paper. The output DC voltage across the display reaches 0.5 V for a power level at the input of the rectenna of -10 dBm. The second rectenna is a 3D rectenna, printed on flexible 100 µm thick plastic substrate. A DC voltage of 1 V was measured across the display when getting near a Smartphone on Wi-Fi mode. The rectennas are suitable for both near field and far field.

La finalité de cette étude était la réalisation d’un afficheur électrochrome sur papier activable par un smartphone comme solution anti-contrefaçon. La nature cellulosique du substrat et la faible énergie délivrée par le smartphone ont représenté deux contraintes majeures dans de ce travail de thèse. Ainsi, une nouvelle méthode originale de dépôt à température ambiante de films minces WO3 a été développée en utilisant un traitement UV. Le premier dispositif électrochrome couplant le film WO3 sur papier, le Bleu de Prusse, et une membrane électrolytique plastifiée, a montré une bonne stabilité électrochimique associée à un contraste optique ΔR de 13 % pour une tension d’activation de -1 V. En vue de minimiser la tension d’activation, de nouveaux dispositifs électrochromes, à architecture simplifiée, dérivés d’une configuration classique à 5 couches ont été mis au point. Le remplacement du matériau de contre électrode et du conducteur électronique par un matériau métallique unique a conduit à des dispositifs à 4 couches. De plus, l’utilisation d’un matériau électrochrome conducteur a permis de s’affranchir de la couche conductrice électronique adjacente à l’électrode de travail menant à des dispositifs encore plus simplifiés à 3 couches. Les dispositifs simplifiés se caractérisent par des performances électrochromes très intéressantes pour une activation à seulement -0,7 V et présentent une stabilité électrochimique sur plus de 500 cycles. Le premier prototype sur emballage de parfum, à base d’afficheur électrochrome constitué de PEDOT, d’électrolyte liquide ionique polymérisé par vernis UV, et de contre électrode d’Ag, a été activé avec succès par un smartphone en moins de 5,3 secondes pour une énergie d’activation de 0,33 mJ.cm-2. / This study aims at the development of an electrochromic display on paper, activated by a smartphone as solution for counterfeit. A novel deposition method at room temperature of WO3 thin films was developed using a UV treatment. 5-layer electrochromic device (ECD), based on WO3 on paper, Prussian blue, and an electrolyte membrane, showed good electrochemical stability for more than 500 cycles associated with an optical contrast in reflectance ΔR of 13% at -1 V. In order to minimize the activation potential, ECDs with simplified architecture, derived from 5-layer conventional configuration have been developed in a second part of this work. 4-layer ECDs were constructed by replacing the counter-electrode and conductive layer by a single metal layer. In addition, the use of an electrochromic conducting material leads to 3-layer device. 4 and 3-layer ECDs exhibit high electrochromic performances at only -0.7 V with nice stability for more than 500 cycles. The first prototype integrated on perfume packaging, with 4-layer ECD based on PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene), ionic liquid electrolyte polymerized by UV-varnish, and Ag as counter-electrode was successfully activated by a smartphone in less than 5.3 seconds for an activation energy of 0.33 mJ.cm-2.

Ces travaux examinent le potentiel d’un papier à fort lissé pour la production de masse de tags RFID-HF imprimés. Les caractérisations menées sur le papier Powercoat HD mettent en évidence une haute tolérance à la température et une faible rugosité. De fait, il se présente ainsi comme une sérieuse alternative à l’utilisation des films polymères (PET, PEN, PI, etc.), permettant de développer pleinement les performances électriques d’encres conductrices métalliques.Deux procédés d’impression industriels ont été considérés, la flexographie et la sérigraphie ayant tout deux fait leurs preuves depuis plusieurs décennies pour l’impression graphique à hautes cadences. Le potentiel de leur utilisation pour l’impression à grande échelle de dispositifs électroniques à bas-coût est discuté dans ces travaux. De plus, les performances électriques d’encres commerciales à base d’argent sont étudiées en fonction de la taille des particules qui les composent. En effet, l’utilisation de particules métalliques à l’échelle nanométrique pourra faciliter l’activation des mécanismes de diffusion atomique, améliorant ainsi le contact physique entre les particules et favorisant la conduction électrique. En parallèle, les encres à microparticules sont moins coûteuses et leurs conditions d’utilisation moins contraignantes. Toutefois, la coalescence des particules métalliques après l’impression ne pourra être initiée sans un traitement thermique de recuit.Le recuit est usuellement réalisé dans une étuve ou un tunnel à air chaud, la température doit alors rester inférieure à la tolérance du substrat. Cela permet d’atteindre des performances électriques qui restent limitées pour des durées de procédé de l’ordre de plusieurs minutes. Afin de tenir compte des contraintes industrielles d’une production à grande échelle et de permettre d’obtenir les meilleures performances électriques en un temps réduit, l’un des principaux axes de recherche exploré consiste au déploiement des technologies émergentes de recuit photonique proche infrarouge (NIR) et lumière intense pulsée (IPL). Ces dernières sont basées sur l’absorption de l’énergie lumineuse par le film d’encre provoquant ainsi sont échauffement rapide. L’important différentiel d’absorption entre les encres et le substrat contribue, en outre, à une sélectivité de ces procédés permettant de limiter la dégradation du support tout en atteignant au niveau de l’encre, des températures pouvant être supérieures à 300°C. Pour chaque procédé de recuit, l’influence des différents paramètres sur les performances électriques finales a pu être étudiée par la mise en place d’un suivi in-situ de la résistance, permettant un échantillonnage allant jusqu’à 250 kHz.Finalement, des boucles RFID-HF ont été imprimées, recuites dans les conditions précédemment optimisées puis caractérisées. Une estimation des coûts de production a été menée afin de distinguer les contributions liées à l’encre, au support et à la puce électronique en silicium. Les résultats obtenus mettent en évidence le potentiel du papier Powercoat HD, couplé à une impression en flexographie et à un recuit proche infrarouge, permettant alors la production à grande échelle de tags RFID-HF pour un coût matière de l’ordre de 5 centimes d’euros. / This work examines the potential of a very smooth paper for the mass production of printed RFID-RF tags. Characterizations on Powercoat HD paper demonstrate high temperature tolerance and very low roughness. It thus represents a serious alternative to the use of polymeric films (PET, PEN, PI, etc.), enabling the electrical performance of metallic conductive inks to be fully developed.Two industrial printing processes have been considered, flexography and screen printing, and their use were discussed for the printing of low-cost electronic devices. Moreover, the electrical performances of commercial silver based inks are studied according to the size of their particles. Indeed, the use of metal particles at the nanometric scale can facilitate the activation of the atomic diffusion mechanisms, thus improving the physical contact between the particles and promoting electrical conduction. In parallel, microparticles inks are cheaper and their conditions of use less restrictive. In any case, the coalescence of the metal particles after printing cannot be initiated without a thermal sintering treatment.Sintering is usually carried out in an oven or hot air tunnel, the temperature must therefore remain below the tolerance of the substrate. This leads to limited electrical performances for long process duration of several minutes. In order to take into account the industrial constraints of large-scale production and to achieve the best electrical performance in a short time, one of the main explored research areas is the deployment of emerging near-infrared (NIR) and intense pulsed light (IPL) photonic technologies. These latter are based on the absorption of light energy by the ink film thus causing rapid heating. The important absorption differential between the inks and the substrate allows high heating selectivity which makes it possible to limit the degradation of the substrate while the ink temperatures may be greater than 300 ° C. For each sintering process, the influence of the various parameters on the final electrical performance has been studied by setting up an in-situ resistance monitoring, allowing sampling frequency up to 250 kHz.Finally, RFID-HF loops were printed, sintered under previously optimized conditions and then characterized. An estimate of the production costs was carried out in order to distinguish the contributions related to the ink, the substrate and the silicon chip. The obtained results demonstrate the potential of Powercoat HD paper, coupled with flexographic roll-to-roll printing and near-infrared technology, enabling the large-scale production of RFID-HF tags at a material cost of the order of 5 euros cents.

Au cours des dernières années, en raison de la demande croissante de produits de plus enplus légers, plus petits et moins chers à l'intérieur des appareils portables, l'électronique flexible émerge sur le marché commercial comme une nouvelle génération d'électroniques. Les substrats rigides conventionnels sont remplacés par des matériaux plus minces, flexibles et à faible coût tels que papier, polymère, plastique pour la fabrication des composants et circuits. En même temps, les futurs boîtiers électroniques demandent de plus en plus de nombreux systèmes sans fil afin d'offrir de multiples services et applications (ZigBee/Z-Wave, WLAN, DECT, Bluetooth, RF4CE, 3G/4G, etc.). À cause de l'intégration d'un très grand nombre d'antennes pour satisfaire l'opération de toutes ces applications, les connectivités deviennent donc un grand défi pour les exigences de coût. C'est pourquoi on voudrait remplacer l'ensemble du système d'alimentation/d'interconnexion à la carte mère PCB par une technologie homogène, collective. Ce travail de thèse vise à développer une nouvelle technologie "verte" et faible coût dédiée à la conception et réalisation de systèmes antennaires et d'interconnexions sur les matériaux flexibles (tels que papier) à base d'encres conductrices et de procédés de fabrication additifs comme impression. Le défi scientifique est de concevoir des systèmes antennaires répartis spatialement sur les faces internes en plastique du boîtier électronique sous forme des stickers RF 3D et connectés directement à la carte PCB par une solution innovante, à faible coût pour des applications multimédia sans fil dans la gamme de fréquences de 1.8-6 GHz. / In recent years, due to the growing demand for lighter, smaller and cheaper electronic products Inside portable devices, clothing and packaging materials, flexible electronics is emerging on the commercial market as a new generation of electronics. Conventional rigid substrates will be replaced by thin, flexible, low-cost materials such as paper, polymer, and plastic for the manufacturing of components and circuits. Concurrently with the powerful development of flexible electronics, the future electronic devices have drastically demanded more wireless systems in order to offer multiple services and applications (ZigBee/Z-Wave, WLAN, DECT, Bluetooth, RF4CE, 3G/4G, etc.). Because of the integration of a great number of antennas to satisfy the operation of all these applications, the connectivities thus become a big challenge for cost constraints. This is the reason why we would like to replace the entire interconnection system with the PCB mainboard by a homogeneous, collective technology.This thesis work aims at developing "green", low-cost and innovative technology devoted to the design and realization of antenna systems and interconnections on flexible materials (such as paper) based on conductive inks and additive manufacturing processes like printing. The scientific challenge lies on the design of spatially distributed antenna systems on the internal plastic sidewall of the electronics box in the form of 3D RF stickers and directly connected to the PCB mainboard by an innovative, low-cost solution for wireless multimedia applications in the frequency range of 1.8-6 GHz.