Développement de récupérateurs d’énergie sans fil à base de transducteurs magnétoélectriques pour des applications biomédicales

Development of wireless energy harvesters based on magnetoelectric transducers for biomedical applications

• Auteur / Autrice : Ali Koteiche
• Direction : Gérard Sou, Alexis Brenes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 15/03/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....) - Laboratoire d’Informatique, Signal et Image, Électronique et Télécommunication (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Guylaine Poulin-Vittrant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dimitri Galayko, Elie Lefeuvre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hélène Debeda, Mickaël Lallart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits électroniques

Transducteurs piézoélectriques

Métamatériaux

Dispositifs médicaux implantables

Transfert d'énergie sans fil

Mots clés libres

Transfert d'énergie sans fil

Gestion de puissance

Transducteur magnétoélectrique

Puissance limite

Implant

Circuits électroniques

Wireless power transfer

Power management circuit

Magnetoelectric transducer

Résumé

Les technologies de la santé et l’Internet des Objets (IoT) sont deux marchés en pleine croissance, liés par l’interconnexion d’objets nomades pour le « quantified self », où chaque patient peut effectuer ses propres tests physiologiques. À cette fin, l’un des défis technologiques réside dans l’autonomie de la puissance, car l’énergie doit être fournie au système avec un minimum d’interaction de l’extérieur. Par conséquent, le développement d’un récupérateur d’énergie sans fil a un très large éventail d’applications. Dans ce contexte, les matériaux magnétoélectriques (ME) suscitent un intérêt scientifique important en tant que transducteurs d’énergie pour alimenter le système. Les matériaux ME sont des composites laminaires à base de couches piézoélectriques et magnétostrictives, généralement collées ensemble. Lorsque le matériau ME est entraîné par un champ magnétique externe, les éléments magnétostrictifs sont soumis à des contraintes mécaniques et à des mouvements. Ce mouvement est ensuite transféré à l’élément piézoélectrique qui génère une tension entre ses électrodes. Ensuite, l’énergie doit être façonnée (conditionnée) et gérée au niveau du système (gestion de l’alimentation). Pour les récupérateurs d’énergie piézoélectriques, de nombreuses stratégies d’optimisation existent déjà pour maximiser le flux de puissance du transducteur à l’unité de stockage d’énergie. Cette optimisation prend en compte l’impact du circuit de récupération d’énergie sur les performances globales du système. Pourtant, à ce jour, aucune solution optimale n’a été identifiée pour s’adapter aux contraintes spécifiques imposées par les résonateurs magnétoélectriques. La prise en compte de la spécificité des résonateurs magnétoélectriques au niveau du système sera un point clé de cette thèse. La thèse visera donc à étudier et à concevoir l’architecture des systèmes de récupération et de conditionnement d’énergie pour les transducteurs magnétoélectriques.

E-Health and the Internet of Things (IoT) are two growing markets, related to each other by the interconnection of nomadic objects for the “quantified self”, where each patient can perform his own physiological tests. To that purpose, one of the technological challenges lies in the power autonomy, since energy must be supplied to the system with a minimum interaction from the outside. Hence, the development of a wireless energy harvester has a very wide range of applications. In this context, magnetoelectric (ME) materials arouse a significant scientific interest as energy transducers to transform electromagnetic energy provided from the outside into electrical energy available to power the system. ME materials are laminar composites based on piezoelectric and magnetostrictive layers, generally glued together. The device is usually connected to an electrical interface via deposited electrodes. When the ME material is driven by an external magnetic field, magnetostrictive elements are subject to mechanical constraints and motion. This motion is then transferred to the piezoelectric element which generates a voltage between its electrodes. Then, the energy must be shaped (conditioned) and managed at the system level (power management). For piezoelectric energy harvesters, many optimization strategies already exist to maximize the power flow from the transducer to the energy storage unit. This optimization takes into account the impact of the energy harvesting circuit on the overall performances of the system. Yet, to this day, no optimal solution has been identified to fit the specific constraints imposed by magnetoelectric resonators. Taking into account the specificity of magnetoelectric resonators at the system level will be a key point of this thesis. The thesis will thus aim at studying and designing the architecture of energy harvesting and conditioning systems for magnetoelectric transducers.