Circuits intégrés pour la récupération d'énergie à partir de transducteurs piézoélectriques

Integrated circuits for energy harvesting from piezoelectric transducers

• Auteur / Autrice : Liana Wassouf
• Direction : Vincent Frick
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, microélectronique, photonique
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Patricia Desgreys
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Hebrard, Ehsan Jamshidpour
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patricia Desgreys, Marie-Minerve Louërat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cartes à mémoire

Énergie

Transducteurs piézoélectriques

Mots clés libres

Récupération d’énergie

Récupérateur piézoélectrique

Redresseur

Circuit intégré

Energy harvesting

Piezoelectric harvester

Rectifier

Integrated circuit

Résumé

Au cours de la dernière décennie, la récupération de l'énergie ambiante a suscité un intérêt croissant pour fournir une sources d'alimentation autonome aux capteurs sans fil à faible puissance utilisés dans diverses applications. Cela permet de surmonter les problèmes liés à la nécessité de remplacer ou de recharger fréquemment les batteries, en particulier lorsque les capteurs sans fil sont déployés à grande échelle ou dans des endroits difficiles d'accès. Dans les applications où les vibrations mécaniques se produisent de façon continue ou périodique, comme les applications HUMS, la récupération de l'énergie cinétique est l'une des techniques les plus envisagées. Parmi tous les récupérateurs d'énergie cinétique, le récupérateur d'énergie piézoélectrique (PEH) est prometteur en raison de sa densité de puissance élevée, de son scalabilité et de sa compatibilité avec les technologies conventionnelles de circuits intégrés par rapport aux récupérateurs électromagnétiques et électrostatiques. Dans ce type de récupérateur d'énergie, un circuit d'interface pour le redressement du signal et le conditionnement de l'énergie est nécessaire. Comme l'énergie récupérée par les PEHs est de l'ordre de 10-100µW/cm2, la conception d'un circuit d'interface efficace reste un défi. Cette thèse vise à concevoir un circuit d'interface compact et efficace comprenant des architectures de modules à très faible puissance pour extraire le maximum d'énergie générée par les PEH dans diverses conditions de fonctionnement et avec un haut degré d'indépendance vis-à-vis de l'amplitude des vibrations.

Over the past decade, there has been increasing interest in ambient energy harvesting to provide an autonomous power source for low-power wireless sensors which are used in a variety of applications. This overcomes the problems associated with the need for frequent battery replacement or recharging, especially when wireless sensors are deployed on a large scale or in hard-to-reach locations. In applications where mechanical vibrations occur continuously or periodically such as HUMS applications, kinetic energy harvesting is one of the most investigated techniques. Among all the kinetic energy harvesters, piezoelectric energy harvester (PEH) is a promising one due to its high power density, scalability and compatibility with conventional IC technologies compared to electromagnetic and electrostatic harvesters. In this kind of energy harvesters, an interface circuit for signal rectification and energy conditioning is required. Since the energy harvested by PEHs is in the range of 10-100µW/cm2, the design of an efficient interface circuit remains a challenge. This thesis aims to design a compact and efficient interface circuit comprising ultra-low power module architectures to extract the maximum energy generated by the PEH under various operating conditions with a high degree of independence of the vibration amplitude.