Des caméras thermiques haute performance : tour de force technologique et scientifique

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 cœur de celles-ci étant extrêmement élevé. Devenir les premiers au monde capables de fabriquer à grande échelle des capteurs d’imagerie thermique à haute performance mais à des coûts permettant d’atteindre les marchés civils s’inscrivait dès lors dans une course mondiale! Pour la conduite assistée ou autonome de véhicules la nuit, pour la mesure d’efficacité énergétique, pour la surveillance environnementale ou pour les services de secours : plusieurs secteurs d’activités allaient tirer avantage de cette technologie qui permet d’imager les objets en temps réel en fonction de leur température.

Prix Synergie pour l’innovation

L’objectif a été atteint en 2018, positionnant ainsi le Canada au premier rang dans ce domaine. Les professeurs-chercheurs de l’Université de Sherbrooke Paul Charette, chercheur 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 pour en arriver à ce résultat. Le projet 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 total d’environ 4 M$ en espèces (avec un montant équivalent en nature), qui provient notamment du partenaire industriel, Teledyne DALSA, d’une subvention 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 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 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 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 d’innovation reliant le C2MI et l’Institut interdisciplinaire 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 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 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, de la recherche universitaire jusqu’à la mise en marché. 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, 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, un processus normalement très coûteux. La clé de voûte pour réaliser les économies d’échelle permettant de réduire suffisamment les coûts de production et ainsi atteindre les marchés civils est l’encapsulation 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 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 et de la microfabrication.

Ce projet de développement de caméras thermiques a d'ailleurs marqué un point 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 œuvrant dans des secteurs complémentaires a rendu 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 pour baser de plus en plus nos développements futurs 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

Un projet d’envergure qui met en action un maillage cohérent, dynamique 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 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 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.