Circuits innovants pour la récupération d'énergie et l'accord de filtres acoustiques utilisant des matériaux à transitions de phase mécaniquement induites

Innovative electronic circuits for energy harvesting and tunable acoustic filters using active materials with mechanically induced phase transition

• Auteur / Autrice : Jhordan CHáVEZ YZQUIERDO
• Direction : Elie Lefeuvre
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique, Photonique et Micro-Nanotechnologies
• Date : Inscription en doctorat le 01/03/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Microsystèmes et nanobiotechnologies
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Piézoélectricité

Transition de phase

Circuits électroniques d'interface

Modélisation multi-physique

Récupération d'énergie

Filtres acoustiques

Phase transition

Acoustic filters

Multi-physics modeling

Energy harvesting

Piezoelectricity

Electronic interface circuits

Résumé

Contexte Dans les environnements confinés et/ou aux conditions modérément sévères (par exemple en température), l'autodécharge des batteries conventionnelles (piles) limite drastiquement la durée de vie des dispositifs autonomes sans fil. Afin de palier à ce problème, la récupération d'énergie, consistant à convertir l'énergie directement accessible de l'environnement sous forme électrique pour l'alimentation du dispositif, a été intensivement étudiée au cours des deux dernières décades. Parmi les sources disponibles, la source vibratoire sous forme de déformation mécanique se classe parmi les solutions les plus attractives, notamment grâce aux matériaux piézoélectriques qui offrent un excellent compromis entre intégration et capacité de conversion. Néanmoins, l'utilisation de ces matériaux dans leur domaine linéaire est toujours relativement limitée par la faible énergie convertie. En parallèle, et toujours dans le cadre de dispositifs communicants, la multiplication des vecteurs de communication et des bandes fréquentielles associées conduit à la nécessité d'utilisation de nombreux filtres, chacun associé à une fréquence particulière. Ceci induit un surcoût tant en terme économique que de taille. Afin d'adresser ces problème, l'objectif du projet ANR FIESTA, regroupant le C2N, ELyTMaX, FEMTO et le LGEF, est de tirer avantage des transitions de phase induites par la contrainte mécanique. En effet, alors que dans de nombreuses applications ces transitions sont vues comme des défauts, elles peuvent être judicieusement mises en œuvre pour assurer soit des cycles de conversion d'énergie améliorés, soit pour permettre une modification du comportement mécanique permettant d'améliorer la bande fréquentielle utile de filtre de télécommunication. Objectifs L'objectif du travail proposé dans le cadre de cette thèse de doctorat est, en lien étroit avec l'intégration des matériaux considérés (KTN) dans des dispositifs expérimentaux -récupérateurs d'énergie et filtres accordables- et leur modélisation réalisées par les partenaires de ce projet, de développer des circuits innovants pour la récupération d'énergie mécanique et pour l'accord de filtres acoustiques, afin d'en faire la démonstration expérimentale sur les dispositifs à transition de phase mécaniquement induite élaborés dans le cadre du projet ANR FIESTA. Cette thèse bénéficiera de l'expertise des équipes du C2N et du LGEF dans le domaine de la récupération d'énergie mécanique, notamment en termes de circuits d'extraction d'énergie à haute efficacité pour des dispositifs à transduction piézoélectrique, magnétodynamique et électrostatique. Les transitions de phase des matériaux considérés se traduisent par des variations géantes de leur permittivité diélectrique, tout en conservant potentiellement une partie des charges électriques induites par la polarisation. Pour un dispositif dans lequel ces transitions de phases sont induites par les vibrations mécaniques ambiantes, on retrouvera un comportement similaire à celui des dispositifs électrostatiques du point de vue électrique (capacité variable), tout en bénéficiant possiblement (selon le type de transition considérée) d'une charge initiale. Les circuits innovants étudiés pour la récupération d'énergie s'inspireront de travaux récents dans le domaine, en particulier de circuits auto-synchrones. Cette famille de circuits présente de nombreuses ramifications, et plusieurs d'entre-elles, encore peu explorées, sont très prometteuses pour générer des cycles de conversion d'énergie adaptés aux variations géantes de permittivité des matériaux considérés. Notamment, les aspects innovants de ces travaux se situeront sur la conception et l'implémentation de convertisseurs à transitoire réduit (les excitations mécaniques pouvant être des chocs soudains), ainsi qu'architectures reconfigurables voire auto-reconfigurables pouvant s'adapter aux changements de conditions opératives (excitation mécanique plus ou moins brève ou plus ou moins importante) Un autre aspect du travail de doctorat, mené de manière conjointe aux précédentes, consistera à étudier des solutions intégrées (MEMS) permettant générer des contraintes mécaniques de forte amplitude sur des filtres à ondes de surface (SAW) à base de matériaux à transition de phase mécaniquement induite. L'objectif est ici de montrer que cette approche permet de faire varier très fortement la fréquence de résonance du filtre, ouvrant ainsi la possibilité de réaliser des filtres RF accordables multi-bandes. Les circuits permettant de contrôler électriquement les contraintes mécaniques induites, et donc la fréquence de résonance du filtre, feront partie intégrante de cette étude.

Context In confined environments and / or moderately severe conditions (for example high temperature), the self-discharge of conventional batteries (cells) drastically limits the lifetime of autonomous wireless devices. To overcome this problem, energy harvesting, which consists of converting energy directly accessible from the environment into electrical form for powering the device, has been intensively studied over the past two decades. Among available sources, the vibratory source in the form of mechanical deformation ranks among the most attractive solutions, in particular thanks to piezoelectric materials which offer an excellent tradeoff between integration and energy conversion capacity. However, the use of these materials in their linear domain is still relatively limited by the low converted energy. At the same time, and still in the context of communicating devices, the multiplication of communication vectors and associated frequency bands leads to the need to use many filters, each associated with a particular frequency. This induces an additional cost both in economic terms and in size. In order to address these two separate problems, the objective of the ANR FIESTA project, bringing together C2N, ELyTMaX, FEMTO and LGEF research units, is to take advantage of phase transitions induced by mechanical stress. Indeed, while in many applications these transitions are seen as defects, they can be judiciously implemented to ensure either improved energy conversion cycles, or to allow a modification of the mechanical behavior to change the frequency band of telecommunication filters. Goals The objective of the work proposed within the framework of this doctoral thesis is, in close connection with the integration of the materials considered (KTN) in experimental devices - energy harvesting and tunable filters - and their modeling carried out by the partners of this project, to develop innovative circuits for the recovery of mechanical energy and for the tuning of acoustic filters, in order to provide an experimental demonstration on mechanically induced phase transition devices developed within the framework of the ANR FIESTA project. This thesis will benefit from the expertise of C2N and LGEF teams in the field of mechanical energy recovery, in particular in terms of high efficiency energy extraction circuits for piezoelectric, magnetodynamic and electrostatic transduction devices. The phase transitions of the considered materials result in giant variations in their dielectric permittivity, while potentially retaining some of the electric charges induced by polarization. For a device in which these phase transitions are induced by ambient mechanical vibrations, we will find a behavior similar to that of electrostatic devices from an electrical point of view (variable capacitance), while possibly benefiting (depending on the type of transition considered) of an initial charge. The innovative circuits studied for energy recovery will be inspired by recent work in the field, in particular self-synchronous circuits. This family of circuits has many ramifications, and several of them, as yet little explored, are very promising for generating energy conversion cycles adapted to the giant variations in permittivity of the materials considered. In particular, the innovative aspects of this work will relate to the design and implementation of converters with reduced transient (the mechanical excitations can be sudden shocks), as well as reconfigurable or even self-reconfigurable architectures that can adapt to changes in conditions. operative (mechanical excitation with more or less duration, or with more or less magnitude) Another aspect of the doctoral work, carried out jointly with the previous ones, will consist in studying integrated solutions (MEMS) allowing the generation of high amplitude mechanical stresses on surface wave filters (SAW) based materials with mechanically induced on phase transition. The objective here is to show that this approach makes it possible to vary the resonant frequency of the filter in large amount, thus opening the possibility of making multi-band tunable RF filters. The circuits making it possible to electrically control the induced mechanical stresses, and therefore the resonant frequency of the filter, will be an integral part of this study.