Vers l'autonomie énergétique des réseaux de capteurs embarqués : conception et intégration d'un générateur piézoélectrique et d'un micro dispositif de stockage capacitif en technologie silicium

par Hugo Durou

Thèse de doctorat en Microélectronique

Sous la direction de Carole Rossi et de Magali Brunet.

Soutenue en 2010

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Les réseaux de capteurs communiquant sans fil offrent des possibilités extrêmement intéressantes pour l'application de surveillance de santé de structures, et particulièrement dans le secteur aéronautique. Cependant les capteurs qui constituent chaque nœud du réseau ne disposent pas de ressources énergétiques permanentes et leur autonomie énergétique sur de longues périodes est un problème. Avec la réduction de la consommation des composants électroniques et des capteurs, une solution possible et explorée depuis une dizaine d'années par de nombreuses équipes consiste à récupérer l'énergie disponible dans son environnement, de la stocker et la gérer pour alimenter le capteur. Nous proposons dans cette thèse d'exploiter le potentiel énergétique des vibrations mécaniques d'une structure aéronautique pour alimenter un capteur de surveillance de santé de structure aéronautique. Notre contribution porte sur la conception et l'intégration sur silicium d'un générateur piézoélectrique miniature et d'un micro dispositif de stockage capacitif. Concernant le générateur piézoélectrique, l'élaboration d'un modèle à éléments finis (COMSOL) couplées avec une description SPICE du circuit de charge, a permis de concevoir - une structure optimisée consistant en 4 poutres monomorphes (Si/PZT) capable de générer des puissances électriques > µW et des tensions > V en dépit de puissances mécaniques incidentes faibles : vibrations de 0,1g-0,5g @40-80 Hz. Ce dispositif a ensuite été réalisé sur silicium à l'aide de technologies MEMS et de l'usinage laser femtoseconde. Le dispositif de stockage conçu et intégré sur silicium est un condensateur à double couche électrochimique. Les différentes briques technologiques développées concernent l'optimisation des géométries d'électrodes, le dépôt de la matière active et l'encapsulation hermétique de l'électrolyte organique en atmosphère anhydre. Un modèle VHDL-AMS des deux éléments (récupérateur et stockage) réalisés est proposé et une simulation du système sur un cas d'utilisation simple est comparée à l'expérience.

  • Titre traduit

    Towards autonomous wireless sensors networks : design and integration of a piezoelectric microgenerator and a silicon based capacitive storage micro device


  • Résumé

    Wireless sensor networks offer very interesting possibilities for structural health monitoring, especially on aircrafts. However the sensors in these networks only have limited onboard energy resources, which is a severe restriction to their autonomy over a wide lifespan. As electronics and sensors power consumption reduces, a possible - and explored by many research teams for the last decade - solution is to harvest energy from the immediate environment of the microsystem, to store it and use it when needed to supply the sensor and electronics. In this thesis we propose to harvest energy from engine vibrations on an aircraft structure to supply a structure health monitoring sensor. Our contribution lies in the conception and integration on Silicon of a miniature piezoelectric harvester and capacitive charge storage device. As for the piezoelectric harvester, a proposed finite elements analysis coupled with a SPICE description of the charge circuit enabled the design of an optimized device, which is made of 4 monomorphic cantilevers (Si/PZT) that can generate > µW power and > V voltage despite low power incoming vibrations (0. 1 to 0. 5g @ 40-80 Hz). This device has been fabricated on a silicon wafer using standard MEMS technologies and femtosecond LASER etching of the cantilevers. The charge storage device, designed and integrated onto silicon, is an electrochemical double layer capacitor. Development of the geometry of the electrodes, the active material deposition and hermetic wafer level sealing under water-free atmosphere of the component have been led. A VHDL-AMS model of both micro-devices (harvester and charge storage) is proposed and systems simulations over simple use cases are compared to the experiment.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (175 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 162-175

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2010 TOU3 0349
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