Circuits de récupération d’énergie très basse puissance pour transducteurs à capacité variable

Very Low-power Interface Circuits for Variable Capacitance-based Energy Harvesters

• Auteur / Autrice : Jie Wei
• Direction : Elie Lefeuvre, François Costa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 28/09/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Lionel Petit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elie Lefeuvre, François Costa, Lionel Petit, Dimitri Galayko, Adrien Badel, Hervé Mathias
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Dimitri Galayko, Adrien Badel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits électroniques

Électrostatique

Circuits électriques -- Analyse -- Logiciels

Mots clés libres

Récupération d'énergie

Circuit d’interface

Transduction électrostatique

Energy harvesting

Interface circuit

Electrostatic transduction

Résumé

La récupération d'énergie mécanique de vibration à l’aide de transducteurs à capacité variable mène à l’étude de systèmes non linéaires complexes, mais présente des perspectives applicatives très prometteuses. Notre travail a porté sur l’étude d’une nouvelle famille de circuits d'interface pour transducteurs capacitifs. Entre autres avantages, ces circuits sont réalisables avec des rendements élevés à très basse puissance, typiquement dès quelques dizaines de nano-watts de puissance moyenne, ce qui les distingue des solutions présentées dans de l’état de l’art. De plus, Les circuits étudiés dans cette thèse ne contiennent aucun composant magnétique, ce qui constitue un atout considérable en termes de miniaturisation et d’intégration et permet eu outre la compatibilité avec l’imagerie par résonance magnétique. Les différentes structures qui constituent la famille de circuits proposés permettent de répondre à différentes contraintes imposées par le transducteur capacitif, en particulier le rapport des capacités maximale et minimale Cmax/Cmin. A partir d’une tension de sortie donnée, la tension appliquée sur le transducteur capacitif peut être modifiée en utilisant différents circuits ou en utilisant un circuit unique dont la topologie est modifiée à l’aide d’un interrupteur électronique. Les modèles théoriques développés prennent en compte le couplage électromécanique du transducteur de manière à décrire le comportement global des systèmes étudiés. Les circuits étudiés ont été validés expérimentalement avec deux transducteurs capacitifs de structure différente. En pratique, le rendement de ces circuits est proche de 80% pour des puissances converties aussi basses que la centaine de nano watts.

The mechanic vibration energy harvesting using variable capacitance transducers leads to the study of complex nonlinear systems but has very promising application perspectives. Our work focused on the study of a new family of interface circuits for capacitive transducers. Among all the advantages, these circuits are achievable with high efficiencies at very low power, typically a few tens of nanowatts average power, which distinguishes them from the solutions presented in the state of the art. Moreover, the circuits studied in this thesis do not contain any magnetic components, which is a considerable asset in terms of miniaturization and integration and also allows compatibility with magnetic resonance imaging. The various structures which constitute the family of circuits proposed make it possible to satisfy various constraints imposed by the capacitive transducer, in particular, the ratio of the maximum and minimum capacities Cmax / Cmin. For a given output voltage, the voltage applied to the capacitive transducer can be varied by using different circuits or by using a single circuit whose topology is modified by the operation of an electronic switch. In order to describe the overall behavior of the studied systems, the electromechanical coupling of the transducer is taken into account in the developed theoretical models. The studied circuits have been validated experimentally with two capacitive transducers of different structure. In practice, the output of these circuits is close to 80% for converted powers as low as the hundred nanowatts.