Competition

The main event of the ReSMiQ innovation day is a competition where undergraduate and graduate students will demonstrate their scientific and technical expertise through the presentation af a live experiment. The competition will play in two parts.

Part 1: My project in 180·106 μsEach candidate will introduce their project via a 3 minutes oral presentation
Part 2: My project in action – Live demonstration of a microsystem.

Featured projects
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Undergraduate and college level

P1 – Electric Motorcycle of Université de Sherbrroke
by Patrice Buteau (B.Sc.), Université de Sherbrooke

P2 – Bague IMU pour contrôle d’un bras robotique pour assistance quotidienne
by Tristan Robitaille (DEC), Collège Sainte-Anne

Graduate level

P3 – Système d’acquisition à canaux multiple pour la tomographie optique diffuse
by Jonathan Bouchard (Ph.D.), Université de Sherbrooke

P4 – Un SoC CMOS Mixte en Technologie 0.13 μm pour l’Optogénétique et l’Enregistrement Neuronal en Boucle Fermée
by Gabriel Gagnon-Turcotte (Ph.D.), Université Laval

P5 – GaN based microelectronic systems for harsh environment applications
by Ahmad Hassan (Ph.D.), Polytechnique Montréal

P8 – Wireless Optoelectronic Interface Enabling Brain Fiber Photometry in Freely Behaving Rodents
by Mehdi Noormohammadi Khiarak (Ph.D.), Université Laval

P9 – An ultra low power optoelectronic receiver
by Bahaa Radi (Ph.D.), Université McGill

P10 – Multimodal implantable neural interfacing microsystem
by Massoud Rezaei (Ph.D.), Université Laval

P11 – Compact standalone NIRS Module
by Sreenil Saha (Ph.D.), Polytechnique Montréal

P12 – Rotational MEMS Platform for Optical Switching
by Suraj Sharma (Ph.D.), École de technologie supérieure

P13 – Alimentaion et communication à distance sous un seul lien inductif pour les Implants médicaux électroniques
by Aref Trigui (Ph.D.), Polytechnique Montréal

P14 – Continuous Software Integration for Robotic Swarms and IoT Devices
by Vivek Shankar Varadharajan (Ph.D.), Polytechnique Montréal

P15 – High-speed all-silicon photodetectors for 850 nm applications
by Christopher Williams (Ph.D.), Université Concordia


P1 – EMUS
by Patrice Buteau (B.Sc.), Université de Sherbrooke

EMUS (Electric Motorcycle of Université de Sherbrooke) est un groupe technique dans lequel des étudiants en génie travaillent sur la conception et la fabrication d’une moto électrique de compétition. La vision est de développer un système de propulsion électrique et générique pour n’importe quelle plateforme motorisée. Ainsi, la conception de la batterie est au cœur du projet. Faits à partir de cellules lithium-ion cylindriques, neuf assemblages de cellules composent la batterie de la moto. Considérant les risques non-négligeables liés à l’utilisation de piles lithium-ion, un système de gestion de batterie doit s’assurer que chaque cellule se situe à l’intérieur des plages de tension et de température d’utilisation. Chaque module possède donc son propre circuit de gestion qui fonctionne de manière indépendante. Il est donc simple de configurer un certain nombre de modules par branchement parallèle/série répondant le mieux aux besoins de la motorisation ainsi qu’aux contraintes d’espace. À l’interne, le système utilise un circuit intégré de Texas Instruments pour prendre différentes mesures en tension et en température qu’il communique à un microcontrôleur. Le microcontrôleur s’occupe ensuite de traiter et de transférer les données sur un bus CAN vers l’ordinateur de bord du véhicule.

P2 – Bague IMU pour contrôle d’un bras robotique pour assistance quotidienne
by Tristan Robitaille (DEC), Collège Sainte-Anne

L’objectif est de créer un système permettant aux personnes ayant une limitation de mouvement au niveau des bras de contrôler un bras robotique afin d’avoir plus d’aisance dans la vie de tous les jours. Ce projet consiste, physiquement, en une « bague IMU », composée d’un circuit imprimé flexible enroulé autours d’une pièce fabriquée par impression tridimensionnelle. Le circuit contient un capteur inertiel avec neuf degrés de liberté (X, Y et Z pour l’accéléromètre, le gyroscope et le magnetomètre), un microprocesseur MSP430 et un transmetteur pour communiquer les données à une station de base. Le tout est alimenté par une pile au lithium-ion. Sur un plan firmware, les donnés inertielles sont traitées par un algorithme simple implémenté sur la station de base (Raspberry Pi) qui, essentiellement, converti les données en vitesses linéaires d’un bras robotique. Il consiste en la conversion des données des trois capteurs en angles selon les axes X, Y et Z (sensor fusion). Puis, avant l’utilisation, le système se calibre pour l’utilisateur en enregistrant les angles maximaux dans tous les axes afin d’en créer un système de référence non-orthographique. Puis, les données cartésiennes sont transformées en données polaires, puis reconverties en leurs projections trigonométriques sur le système de référence non-orthographique issu de la calibration. Ces projections sont proportionnelles aux vitesses linéaires finalement envoyées au bras robotique.

P3 – Système d’acquisition à canaux multiple pour la tomographie optique diffuse
by Jonathan Bouchard (Ph.D.), Université de Sherbrooke

La tomographie optique diffuse (TOD) est une méthode d’imagerie médicale émergente permettant de faire l’acquisition des coefficients d’absorption et de diffusion à l’intérieur d’un sujet. Les scanners TOD actuels souffrent d’un manque important de sensibilité menant à un temps d’acquisition excessivement long, ce qui peut mettre en péril la vie du sujet à l’étude. Pour améliorer cette sensibilité, le nombre de canaux de détection autour du sujet doit être augmenté. Les travaux de recherche présentés portent sur la conception de l’électronique d’un système d’acquisition spécialement conçu pour la TOD à mesures dans le domaine temporel et pour l’intégration d’un plus grand nombre de canaux (64 et plus) dans l’anneau de détection. Ce système propose une architecture modulaire extensible et un procédé de calibration entièrement programmable tout en réduisant de plus d’un ordre de grandeur le coût par canal. Le système démontré est entièrement fonctionnel, et il comporte 4 canaux de détection. Il inclut l’électronique frontale pour une connexion directe aux détecteurs monophotoniques, le circuit de calibration programmable, le convertisseur temps-numé rique (TDC) et le système d’extraction des données vers le PC d’acquisition. Le système permet aussi l’intégration d’une très grande quantité de canaux par l’utilisation de plusieurs modules grâce à une connexion en cascade via un commutateur Ethernet intégré.

P4 – Un SoC CMOS Mixte en Technologie 0.13 μm pour l’Optogénétique et l’Enregistrement Neuronal en Boucle Fermée
by Gabriel Gagnon-Turcotte (Ph.D.), Université Laval

L’essor de l’optogénétique permet d’utiliser la lumière guidée par une fibre optique implantable afin d’étudier les microcircuits du cerveau. Cette nouvelle approche révolutionnaire permet d’activer sélectivement certains neurones du cortex d’animaux transgéniques, dans le but d’observer leur fonction dans un vaste réseau biologique et de permettre l’étude des fondements de plusieurs pathologies neurobiologiques (Alzheimer, Parkinson, etc.). Par conséquent, il existe un énorme intérêt pour le développement de nouveaux outils permettant d’utiliser l’optogénétique chez des animaux éveillés afin d’étudier leurs cerveaux. À ce jour, mon projet de recherche à permis de créer le premier système sur puce (SoC) en technologie CMOS 130 nm qui combine 10 canaux d’enregistrement neuronal et 4 canaux de stimulation optique. Cette puce a été intégrée dans un système optogénétique sans fil miniature qui a été validé dans le cerveau de rats éveillés. De plus, une nouvelle puce CMOS qui intègre de nouveaux algorithmes de détection, de compression et de classification des signaux neuronaux est en cours fabrication. Cette nouvelle puce, combinée avec la première, permettra d’effectuer des expériences optogénétiques en boucle fermée chez des rongeurs transgéniques. En effet, la stimulation sera déclenchée lorsque des neurones spécifiques seront actifs, afin de générer des connexions neuronales synthétiques.

P5 – GaN based microelectronic systems for harsh environment applications
by Ahmad Hassan (Ph.D.), Polytechnique Montréal

In most of industrial and aerospace projects, the electrical and electronic systems form serious challenges when they are installed in the harsh environment zone, especially for sensors which are directly interfaced with the harsh conditions and must be connected to the external system as well. The direct power and data connections between the interface sensors and external system introduce high risk at the level of complexity and safety and affect the efficiency of whole system in addition to the change of the monitored condition settings. In this project, we tend to implement a microelectronic system dedicated for extreme environment based on GaN (Gallium Nitride) technology for power and data transmissions. The investigated harsh environments are mainly the high-temperature and high-pressure conditions. The expected endurable high temperature is 500oC and the maximum pressure is 100atm.

P8 – Wireless Optoelectronic Interface Enabling Brain Fiber Photometry in Freely Behaving Rodents
by Mehdi Noormohammadi Khiarak (Ph.D.), Université Laval

Fiber biophotometry is one of the most effective technique to monitor specific cell types through Ca2+ fluorescence sensing in live animals. This approach consists of delivering excitation light to brain tissue and retrieving the Ca2+ fluorescence signal through a multimode implantable optical fiber. Existing techniques are extensively used with anesthetized laboratory mice, but they are impractical to conduct in-vivo experiments with freely moving laboratory animals, a milestone in neuroscience. The main objective of this project is to develop a novel low-power, lightweight and minimally invasive wireless optoelectronic neural interface device enabling chronic brain fiber photometry in freely moving laboratory mice. The proposed optoelectronic microsystem involves a custom CMOS system-on-a-chip (SOC) enclosed within a head-mountable mini-scope system including different micro-lenses and dichroic filters, and an implantable optical fiber to deliver excitation light and to retrieve the fluorescence brain activity signal. The custom CMOS integrated circuit includes a novel high-sensitivity lock-in amplifier along with a new mixed-mode detection scheme that allow the system to work at ultra low power and to detect extremely low fluorescence input power levels. To achieve small size, low weight, and ultra low power consumption, the custom CMOS chip leverages on-chip integrated photo detectors , a low-noise analog front-end circuit, and a novel lock-in detection approach.

P9 – An ultra low power optoelectronic receiver
by Bahaa Radi (Ph.D.), Université McGill

The project involves the design of a 20Gb/s ultra-low-power high energy efficiency optoelectronic receiver for short reach communications and interconnects. The electronic receiver makes use of a photonic integrated circuit (PIC) that splits the input stream into four streams and delays each of the four by 0, 50,100, and 150ps. This split and delay technique allows the electronic receiver to process data in parallel at a reduced speed which simplifies the design of the electronics and reduces the power consumption. The capacitive frontend of the electronic receiver integrates four bits each clock cycle reducing the bandwidth of the subsequent stages to ¼ of the full bandwidth required to process 20Gb/s. Following the capacitive frontend is an analog to digital converter used to digitize the integrated bits. Finally, the receiver is followed by a simple digital signal processing unit used to recover the transmitted bits. The operation of the receiver is demonstrated through simulations in CMOS 65nm process.

P10 – Multimodal implantable neural interfacing microsystem
by Massoud Rezaei (Ph.D.), Université Laval

In this work we present a new direct sigma delta converter and we present a 16 channel neural recording system containing 16 direct sigma delta converters, 5 optical stimulators, wireless power harvesting system and UWB IR OOK transmitter and a 2.4 GHz OOK receiver. This system provides 7.8 bits resolution out of 1 mV input signal having 2.8 uV input referred noise while consumes 5.8 uW per channel. The idea is implemented in a 180-nm CMOS process and occupies 2.1 mm x 1.7 mm chip area.

P11 – Compact standalone NIRS Module
by Sreenil Saha (Ph.D.), Polytechnique Montréal

In reflectance optical spectroscopy measurements, the diffusive medium is illuminated from a point source and diffused photons are collected at a given distance from the source. The source and the detector separation should be small to increase the sensitivity to higher penetration depth of investigation which significantly increases the number of unwanted early arriving photons (mainly coming from the surface areas of the tissues). To enable the measurement of rare late photons in the presence of overwhelming amount of early light, timegating mechanism is utilized in which the detector is only sensitive or switched-on during some specific time-windows. The aim is to develop a Near-Infrared Spectroscopy System based on a stand-alone ultrafast time-gated single photon counting module of picosecond resolution. The use of a detection system, operated with a time-gate with rise time in the range of hundreds of picoseconds and delayed appropiately with respect to the initial burst of photons, capacitates the detection of only the fewer late photons while rejecting the early photons. The system also employs a laser source pulsed at over 80MHz with picosecond pulse width. It features a complete programmability of the source-detector parameters like repetition frequency, excess bias voltage, on-off durations etc.

P12 – Rotational MEMS Platform for Optical Switching
by Suraj Sharma (Ph.D.), École de technologie supérieure

In this work with our industrial partner AEPONYX, we demonstrate a rotational electrostatic MEMS actuator based upon SOI technology for optical switching applications. The MEMS consists of an optimized curved comb drive capable of controlling the position of optical waveguides fabricated on top of the circular platform with ±9.5° of rotation at 180V. This forms a device that is suitable to build a crossbar switch matrix. The optical waveguides are made of a silicon nitride core and a silicon dioxide cladding. A latch mechanism reduces power consumption after the optical switching operation by locking the rotational platform into a desired fixed position. An electrostatic gap closing mechanism enables reduction of optical losses due to diffraction in the space between the rotating platform and the static portion of the devices. The minimal optical insertion loss measured experimentally is 14.8dB and the crosstalk is below 40 dB.. This is the first demonstration of a rotational MEMS device with integrated silicon nitride waveguides for optical switching applications.

P13 – Alimentaion et communication à distance sous un seul lien inductif pour les Implants médicaux électroniques
by Aref Trigui (Ph.D.), Polytechnique Montréal

Le progrès rapide dans le domaine des micro-implants accentue la nécessité d’un système de communication sans fil très performant. Les nouvelles applications telles la capsule endoscopique sans fil et l’oeil bionique nécessitent un échange de données à haut débit, une faible consommation d’énergie, une grande robustesse contre le bruit et une simplicité d’implémentation. Les systèmes de communication sans fil actuels ne les permettent pas et priorisent une ou deux performances au détriment des autres. Le système proposé vise à fournir un débit de transmission de données élevé sans compromettre l’efficacité du transfert de puissance tout en maintenant une faible consommation d’énergie, une petite surface de silicium et une simple implémentation. Ces exigences souvent contradictoires rendent cette tâche très difficile, mais les résultats obtenus jusqu’à maintenant sont très prometteurs. Sachant que le choix de la technique de modulation a un impact significatif sur ces exigences, nous avons proposé un schéma de modulation de données efficace pour la communication directe (de l’extérieur vers l’intérieur du corps). La technique s’appelle Carrier Width Modulation (CWM), en anglais. Un démodulateur simple et entièrement intégré a été implémenté. La simulation poste-layout du démodulateur montre une consommation d’énergie ultra-faible à un débit élevé.

P14 – Continuous Software Integration for Robotic Swarms and IoT Devices
by Vivek Shankar Varadharajan (Ph.D.), Polytechnique Montréal

The currently available methods to deploy software to a group of Internet-of-Things (IoT) devices/robotic swarms, are rather primitive, and require physical access to the hardware. With the growing numbers of devices introduced by automation and the Internet-of-Things, there is a novel interest in methods and tools to deploy new code to active IoT devices, sensor arrays and swarms of robots. In particular, methods that integrate code modifications to a group of IoT devices and swarm of robots during a mission, with minimal interruption time, can grant longer autonomy, add flexibility to the system, and streamline follow-up missions without the need for device recovery. In this work we designed an Over-The-Air update toolset for a groups of IoT devices/robotic swarms to propagate code updates while in operation, without interrupting the mission. New update releases are generated as patches to the deployed code, and a consensus mechanism borrowed from swarm intelligence ensures the execution of a unique code version in the whole swarm at all times. Simulations were conducted with thousands of units to study the scalability and bandwidth consumption during the update process. Real deployment experiments were then performed on a small swarm of commercial quadcopters that demonstrated the effectiveness of the tool.

P15 – High-speed all-silicon photodetectors for 850 nm applications
by Christopher Williams (Ph.D.), Université Concordia

A novel high-speed silicon photodetector (Si-PD) designed, and fabricated on a silicon-on-insulator (SOI) platform. In the proposed photodetector, the incident light is directed horizontally using a grating coupler, significantly increasing optical absorption in the depletion area thereby increasing the PD’s responsivity. The measurement results show that the proposed grating coupler in the baseline design increases the responsivity by 40 times compared with the Si-PD without a grating coupler. The optimized grating-assisted Si-PD uses a focusing grating coupler, and its p-i-n diode has a 0.3 μm intrinsic width. It has a responsivity of 0.3 A/W, an avalanche gain of 6, a dark current of 2 μA, and a 3-dB bandwidth of 16.4 GHz at 14 V reverse-bias voltage. Further, it shows an open-eye diagram at 35 Gb/s data rate that, to the best of our knowledge, is the fastest speed reported for an 850 nm Si-PD.

Welcome to Polytechnique Montréal
for RID2017 and the 6th Experimental Demonstration Competition.
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