Revista >> Martie 2017 [Nr.192] >> Cercetare & Invatamant superior

IMT Bucureşti: 10 ani de proiecte europene

Acad. Dan Dascalu, Dr. Alexandru Muller, Dr. Carmen Moldovan, Dr. Gabriel Moagar-Poladian

23 Martie 2017

Un bilanţ făcut în vara anului 2016 arată faptul că IMT (INCD Microtehnologie) a semnat contracte în valoare totală de 5 milioane de euro în principalele „programe” europene de cercetare (Programele Cadru 6 şi 7, Orizont 2020). Majoritatea covârşitoare a acestor contracte au demarat într-o perioadă de un deceniu, care începe în 2004, odată cu derularea primelor contracte din PC 6. Succesul cel mai substanţial al institutului coincide însă cu participarea la PC 7 (2007-2013). Un bilanţ intermediar (Raportul pentru Inovare al Comisiei Europene, Anexa România, 10 iunie 2011) poziționa IMT într-un pluton fruntaş privind fondurile europene de cercetare, fiind după acest criteriu cel mai performant institut naţional (INCD). Ceva mai târziu, „Agenda Digitală” a CE plasa IMT, în acelaşi context, drept cel mai bun institut din România în domeniul Ştiinţei şi Tehnologiei Informaţiei, dezvăluind şi faptul că participarea IMT a fost focalizată pe domeniul micro- şi nanosistemelor.

Succesul IMT în programele europene s-a bazat pe mai mulţi factori:
Sprijin politic la nivel UE. Într-o primă perioadă, după ce România a început să participe cu drepturi depline la PC6, toate ţările în curs de aderare erau încurajate să participe şi erau cooptate în propuneri de proiecte (de pildă în reţele de excelenţă). Mai mult, existau proiecte speciale de coordonare şi suport pentru angrenarea de parteneri în cooperare europeană. IMT a coordonat trei astfel de proiecte: primul a fost dedicat României, al doilea – Europei de est, în timp ce ultimul (cu 18 parteneri) asigură colaborarea unor actori relevanți din întrega Europă. A fost o perioadă de început, în care UE favoriza politic angrenarea „estului” în sistemul cercetării europene.
O alegere inspirată. Un alt factor de succes a fost focalizarea institutului, din start, pe domeniul microtehnologiilor (sau tehnologiilor de microsistem), domeniu desprins din microelectronică, care a avut o evoluţie promiţătoare în Europa şi în lume. Punctul de plecare al activității a fost utilizarea tehnologiei microelectronice de la întreprinderea SC Microelectronica SA pentru experimentarea de microsenzori, microsisteme. Aşa a început Centrul de Microtehnologie (1991), urmat de Institutul de Microtehnologie (IMT, 1993) şi INCD-Microtehnologie (IMT Bucureşti, 1996). În momentul de faţă, după un sfert de secol de evoluţie tehnologică, micro – nanosistemele asigură posibilitatea de integrare a unor întregi sisteme electronice într-o componentă.
Suportul asigurat de programele naţionale. Să adăugăm faptul că România a avut o finanţare în microtehnologii prin planul naţional încă din 1993 (microsistemele au apărut distinct în programele europene abia în 1994). Această susţinere a domeniului prin tematica specifică de microtehnologii, ulterior micro-nanotehnologii şi micro-nano-biotehnologii a continuat prin „Orizont 2020” şi extensia sa, prin PNCD I (programul MATNANTECH) şi PNCD II până în 2013, deci pe o perioadă de circa două decenii. CEEX, centrat pe tematica anunţată pentru PC7 nu a constituit nici el o excepţie. Trebuie spus că finanţarea în domeniile/subdomeniile de interes pentru IMT a fost benefică nu numai pentru IMT, ci şi pentru numeroase alte organizaţii de cercetare interesate de noile tehnologii.
O evoluţie clară. Statistic, atât în PC6, cât şi în PC7 IMT a fost coordonator sau partener la câte 12 proiecte, dar câtă diferenţă! În PC6 majoritatea proiectelor IMT erau fie de tip suport, fie de tip reţea de excelenţă sau Marie Curie, numai 4 dintre ele fiind de cercetare propriu-zise, cu ţintă precisă (unul dintre ele – proiect integrat – fiind de mai mare amploare). În PC7 majoritatea proiectelor au fost de cercetare (inclusiv 4 proiecte integrate). Menţionăm în mod special proiectul de Centru de excelenţă finanţat de către Comisia Europeană (2008-2011), şi coordonat de către Dr. Al. Muller (v. mai departe). Li s-au adăugat (în paralel cu PC7) alte 4 proiecte ENIAC (parteneriat public-privat în nanoelectronică), proiecte ERA-NET etc.
Infrastructura de cercetare. Această implicare mult mai puternică a IMT în cercetarea europeană (inclusiv cu colaborare cu mari firme) a fost posibilă în condiţiile în care infrastructura de cercetare s-a îmbunătăţit considerabil, ca urmare a finanţărilor din CEEX şi PNCD II (ulterior s-au adăugat şi fondurile structurale), devenind pe alocuri mai performantă decât a unor parteneri europeni. Nu a fost însă o simplă achiziţie de echipamente noi. În 2009 a fost lansat (eveniment la Bruxelles) Centrul de MIcro- şi NAnoFABricatie IMT-MINAFAB, primul „centru deschis” de acest fel din estul Europei, asigurând servicii care ulterior (2011) au beneficiat de acreditarea unor proceduri de calitate ISO 9001.
Potenţialul uman a fost însă, de departe, factorul cel mai important. Fuziunea cu ICCE la crearea institutului naţional a adus IMT un număr de cercetători de valoare, care au fost în avangarda cooperărilor europene. Câţiva ingineri transferaţi de la Microelectronica S.A. şi-au adus şi ei contribuţia. Politica IMT a fost aceea de a atrage şi alţi cercetători din diverse domenii, de a facilita activităţile experimentale de doctorat şi activităţile postdoctorale (proiect IMT finanţat din fonduri structurale). Institutul a făcut eforturi ca să devină un loc atractiv şi prietenos pentru cei reveniţi în România după studii doctorale în străinătate. S-au încurajat colaborările cu alte institute şi universităţi, schimbul de cercetători.

Cum văd lucrurile cercetătorii angrenaţi în cercetarea europeană?
Studiu de caz cu Dr. Alexandru Müller, Şeful Laboratorului de dispozitive şi circuite microprelucrate pentru microunde şi unde milimetrice. Dl. Müller este şi coordonatorul Centrului de excelenţă MIMOMEMS al UE, finanţat de CE (2008-2011), entitate care include şi laboratorul CD de fotonică (Dr. Dana Cristea). Pentru exemplificare, colegul nostru a ales două situaţii reprezentative: performanţa în cooperare cu o firmă de vârf, respectiv cercetare exploratorie cu un specialist de înaltă calificare, bursier Marie Curie în IMT.
Activitatea laboratorului este legată de dezvoltarea de noi circuite pentru microunde şi unde milimetrice bazate pe tehnologii de microprelucrare ale materialelor semiconductoare (Si, GaAs, GaN); dispozitive bazate pe unde acustice de suprafaţă cu frecvenţe de rezonanţă în domeniul GHz-ilor obţinute prin microprelucrarea şi nano-procesarea GaN/Si, dispozitive de microunde pe grafenă.
Aplicaţiile ţintă sunt sistemele de comunicaţii avansate şi senzori de temperatură, presiune, umiditate şi de gaze toxice capabile de a monitoriza mediile ostile.
În ultimii 10 ani laboratorul a fost implicat în 13 proiecte internaţionale (un proiect H2020 (Marie SKłodowska-Curie) în desfăşurare , patru proiecte FP7, dintre care la unul coordonator, un proiect FP6, trei proiecte ENIAC (Iniţiativa Europeană în Nanoelectronică), un proiect ERA-Net, un Proiect COST şi două proiecte cu Agenţia Spaţială Europeană (ESA), în desfăşurare. La acestea se adaugă patru proiecte bilaterale (Univ. Pretoria, KERI Changwon, Republica Coreea, Academia din Republica Moldova şi Univ. Johanesburg, dintre care ultimele două în desfăşurare.

Fig 1A Structura SAW pe GaN realizată în cadrul proiectului european IP-FP7 SMARTPOWER, utilizată ca sensor de temperatură pentru monitorizarea radarelor aeroportuare (stânga) detaliu al procesului nanolitografic dezvoltat la IMT - digiţii şi spatiile dintre ele au lăţimea de 200 nm (dreapta)

Fig 1 B Simularea în COMSOL a unei componente integrate memristor/selector nanoelectromecanic care evidenţiază stresul în membrană. Simulare realizată de Dr. Gina Adam, fostă bursieră Fulbright Science & Technology la University of California Santa Barbara şi in prezent cercetătoare postdoctorală la IMT Bucureşti prin finanţarea H2020 MSC

În figura 1A este prezentată structura originală de senzor de temperatură bazată pe un rezonator cu unde acustice de suprafaţă (SAW) cu GaN, operând în domeniul GHz-ilor. Structura este realizată la IMT în cadrul Proiectului Integrat european FP7 recent finalizat, SMARTPOWER. Structura este destinată monitorizării temperaturii radarului aeroportuar realizat de THALES, coordonatorul proiectului. Având zona activă protejată prin acoperire selectivă cu un polymer (zona roşie din fig 1 A), structura a fost integrată hybrid, în cadrul proiectului, cu amplificatorul de putere în cadrul unui SIP (System in a Package). Acest sistem a constituit cel mai important demonstrator realizat în cadrul proiectului.
În figura 1 B este prezentat un rezultat al activităţii de simulare în cadrul proiectului H2020 Marie SKłodowska-Curie, Select X, proiect în curs de desfăşurare.

Studiu de caz cu Dr. ing. Carmen Moldovan, şefa Laboratorului de Microsisteme pentru aplicaţii Biomedicale şi de Mediu. D-na Moldovan a participat la numeroase proiecte din PC 6, PC 7 şi conexe.
Laboratorul are experienţă în: Microsenzori chimici (detecţie gaze toxice, monitorizare apă potabilă), biosenzori (detecție pesticide, toxicitate, sindrom metabolic), senzori de presiune, microprobe pentru detecţie semnale neuronale; Platforme microfuidice, Procesare de semnal, Achiziţie şi analiza de date, Sisteme mobile (pentru detecţia precoce a infarctului de miocard, detecţie şi transmitere a situaţiilor de hipertensiune pentru bolnavi cronici şi gravide cu preeclampsie). Laboratorul a fost implicat în ultimii 10 ani în 15 proiecte europene şi în peste 20 de proiecte naţionale. Un proiect în derulare (2016-2018) este: „Dispozitive piezoelectrice MEMS pentru generarea eficientă de energie (PiezoMEMS)”, M.ERA-NET 2015. Proiectul îşi propune să dezvolte un generator de energie realizat pe bare de siliciu de 10 microni grosime, cu straturi piezoelectrice, la care se adaugă un modul pentru prelucrarea şi stocarea energiei recoltate, figura 2A. Dispozitivul este format din 20 de bare din siliciu, cu dimensiuni micrometrice, care trebuie să furnizeze împreună zeci de µW recoltate din vibraţiile mediului înconjurător. Coordonator proiect: Carmen Moldovan, într-un consorţiu cu 7 parteneri din 3 ţări.

Fig. 2 A Dipozitiv MEMS cu 2x10 structuri piezoelectrice integrate cu modulul de prelucrare şi stocare a energiei

Fig. 2 B Modul fluidic cu senzori integraţi şi conectaţi electric la modulele electronice de detecţie şi achiziţie de date

Un proiect de succes a fost TOXICHIP (Development of a toxin screening multi-parameter on line biochip system)- FP6 IST STREP, 2006-2009, cu 10 parteneri din 7 ţări europene, coordonat de Eric Moore (Tyndall Institute, Ireland). S-a realizat în Laboratorul nostru din IMT un modul fluidic care conţine: Senzori integraţi pentru monitorizarea culturilor de celule, senzori de temperatură, de pH, de O2 dizolvat, cu electrod de referinţă miniaturizat, cât şi platforma integrată şi incintă termostatată, în care au loc experimentele cu linii celulare dedicate, figura 2 B.

Un ultim studiu de caz este furnizat de Dr. Gabriel Moagãr-Poladian, cercetãtor ştiinţific II la IMT-Bucureşi, din Laboratorul de Modelare, Simulare şi Proiectare Asistată de Calculator. Dl. Moagăr coordonează şi laboratorul experimental de manufacturare aditivã. În ultimii ani a fost implicat „în serie” în două proiecte de electronică auto, ambele coordonate de Infineon Technologies (Germania).
Grupul nostru este implicat în proiecte europene de cercetare în domeniul autovehiculelor 100 % electrice: (1) Proiect ENIAC „Nanoelectronicã pentru tracţiune inteligentã de risc redus a vehiculelor electrice”, coordonator Infineon Technologies (Germania), derulat în perioada 2011-2014. Rolul nostru a fost acela de a concepe şi demonstra un senzor de torsiune folosind senzorii magnetici dezvoltaţi de către Infineon Technologies România; (2) Proiect ECSEL-H2020 „Componente integrate pentru controlul complexităţii în autovehicule electrice accesibile”, coordonat de către Infineon Technologies (Germania), derulat în perioada 2015 – 2018. Rolul nostru este: 1) de a coordona activitatea de simulare a managementului termic al autovehiculelor electrice, alături de Daimler (Germania) şi TNO (Olanda); 2) de utilizare a tehnologiilor de 3D Printing pentru realizarea unor încapsulări speciale (o variantă mai ieftină faţă de conceptul SiP (System-in-Package)). Vom testa conceptele din cele două direcţii menţionate împreună cu TNO (Olanda) şi Infineon Technologies România.
Avem câteva beneficii importante, cum ar fi: contactul cu problemele reale la care trebuie să găsim soluţii. Este un efort, dar ai o satisfacţie mare atunci când constaţi că poţi rezolva problema respectivă. Important este şi contactul cu industria. Pe de altă parte, legăturile directe cu atâtea firme şi centre de cercetare cresc vizibilitatea atât a grupului nostru, cât şi a întregului Institut. În continuare prezentãm câteva imagini ale unor rezultate obținute în cadrul acestor proiecte (figura 3).

Figura 3 Senzorul de torsiune montat pe un ax (proiect ENIAC), demonstrator final TRL5. Pentru comparaţie, este alăturată o agrafă de birou. Acest tip de senzor asigură sensibilitatea, redundanţa (4x) şi miniaturizarea necesare, aşa cum au fost specificate de către producătorul auto. Poate lucra până la 2000 C la o turaţie de 10.000 rpm cu un coeficient de siguranţă de 5 (adică raportul între stresul la curgere şi cel maxim înregistrat în structură – este recomandat să fie minim 1,5 – 2).

Ce urmează? Cum răspunde IMT „provocării” pe care o reprezintă cooperarea europeană?
Răspunsul este furnizat de planul de dezvoltare instituţională (strategia) IMT pe termen mediu (2016-2020), v. http://www.imt.ro/nucleu/Strategia%20IMTBucuresti_21.01.2016.pdf, din care cităm mai jos. Pentru început trebuie spus că „Institutul îşi va consolida oferta tehnică bazată pe facilităţile de cameră albă, echipamente şi tehnicile de calcul, oferind o platformă de interacţiune a cercetării româneşti în micro-nanotehnologii cu industria şi mediul academic. IMT are deja o poziţie unică la nivel naţional prin activităţile desfăşurate până în acest moment, iar aceste activităţi vor fi în continuare dezvoltate şi întărite. Principalele instrumente sunt Centrul pentru Micro- şi Nanofabricatie IMT-MINAFAB, care oferă o gamă largă de facilităţi ştiinţifice, tehnologice, de calcul şi de testare, şi CENASIC, care oferă nanotehnologii şi materiale avansate pe bază de carbon”.
Va juca IMT un rol semnificativ în domeniul nanotehnologiilor? A ţine pasul cu dezvoltările europene preconizate în prezent înseamnă printre altele a pune „accent pe studiul şi implementarea tehnologiilor de modelare, obţinere, procesare şi integrare a nanomaterialelor şi nanostructurilor avansate, cu proprietăţi speciale, care sunt pe direcţiile principale de cercetare europeană şi mondială în sisteme complexe”. În aceeaşi ordine de idei, devine vitală orientarea spre inovare şi anume: „institutul va acţiona pentru întărirea colaborării cu firme şi alte organizaţii orientate spre dezvoltare tehnologică şi comercializare. Principalul instrument va fi infrastructura existentă pentru transferul tehnologic şi inovaţie. Proceduri pragmatice, dar bine organizate vor fi utilizate pentru a identifica nevoile tehnologice ale beneficiarilor interni şi externi, în paralel cu furnizarea de servicii tehnologice şi cu atragerea de noi beneficiari”.