Signature électromagnétique de capteurs autonomes basée sur le claquage diélectrique de l'air par usage de générateurs triboélectriques

Electromagnetic signature of autonomous sensors based on dielectric breakdown of air using triboelectric generators

• Auteur / Autrice : Thomas Baudin
• Direction : Philippe Basset, Jean-Marc Laheurte
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ESYCOM - Electroniques, Systèmes de Communication et Microsystèmes

Mots clés

Mots clés libres

Capteur autonome comminicant

Effet Paschen

Générateur triboélectrique

Wireless sensor

Paschen effect

Triboelectric generator

Résumé

Contexte de l'étude L'alimentation de capteurs distribués auto-alimentés nécessite soit l'utilisation de batteries qui doivent être renouvelées régulièrement, soit la récolte et le stockage d'énergie sur une longue période de temps, ce qui ne permet pas une détection en temps réel. Cette thèse propose d'étudier un nouveau type de capteur sans fil auto-alimenté incluant une transmission sans fil instantanée grâce à l'action combinée de l'effet triboélectrique et de la rupture électrostatique de l'air. Cette thèse se déroulera au sein du laboratoire ESYCOM qui a plus de 15 ans d'expérience dans le domaine de la récolte d'énergie cinétique électrostatique avec un focus récent sur la triboélectricité, et plus de 20 ans d'expérience dans le domaine de la conception d'antennes. Dans un travail récent, des interrupteurs basés sur la décharge électrostatique ont été utilisés dans l'électronique de conditionnement pour gérer les hautes tensions dans les collecteurs d'énergie cinétique triboélectrique. Objectif de la thèse Les générateurs d'énergie triboélectrique sont des transducteurs électrostatiques qui sont auto-polarisés lorsque deux matériaux appropriés sont mis en contact. Ils ont la particularité de permettre la génération de tensions de plusieurs centaines de volts, parfois en un seul actionnement mécanique. Cette haute tension, si elle est appliquée aux bornes d'un ''interrupteur'' constitué de deux conducteurs séparés par un espace de quelques microns, peut être à l'origine du ''claquage'' du diélectrique ambiant (ici l'air) si les limites de la loi de Paschen sont atteintes. Par conséquent, une onde électromagnétique est générée par ce micro-plasma selon le principe de l'expérience de Hertz. La conversion de l'énergie mécanique en ondes électromagnétiques tout en codant une donnée dans le signal transmis permettra de libérer le système émetteur de toute électronique à l'exception de quelques diodes et condensateurs, ce qui réduira considérablement la consommation d'énergie globale. Bien qu'il ait été démontré qu'un tel système de transmission avec un générateur d'énergie triboélectrique d'une surface inférieure à un cm2 peut émettre une impulsion électrique détectable à une distance de plus de dix mètres, le mode exact de transmission et les moyens d'influencer ses caractéristiques sont encore largement incompris. Dans cette thèse, nous proposons d'étudier dans un premier temps comment maximiser la distance de propagation en introduisant une antenne à l'émission qui est excitée par l'étincelle électrique générée. Dans un second temps, le candidat définira la meilleure approche pour moduler le signal émis afin de transmettre des informations. Une possibilité serait d'ajouter un capteur capacitif dans la boucle de transmission pour faire dépendre la modulation de fréquence d'autres paramètres mécaniques à mesurer. Une autre option consiste à moduler l'étincelle émise en contrôlant l'écart entre les électrodes du commutateur. Ceci pourrait être réalisé en utilisant un interrupteur à plasma MEMS avec une électrode mobile contrôlée par le capteur capacitif.

Study context The powering of self-powered distributed sensors requires either the use of batteries that need to be renewed regularly or the harvesting and storage of energy over a long period of time, which does not allow real-time sensing. This thesis proposes to study a new type of self-powered wireless sensor including instantaneous wireless transmission thanks to the combined action of the triboelectric effect and the electrostatic breakdown of air. This thesis will take place at ESYCOM lab which has more than 15 years of history in electrostatic kinetic energy harvesting with a recent focus on triboelectricity, and more than 20 years of history in antenna design. In a recent work, switches based on electrostatic discharged has been used in conditioning electronic for managing the high voltages in triboelectric kinetic energy harvesters. Objective of the thesis Triboelectric energy generators are electrostatic transducers which are self-polarized when two suitable materials are brought into contact. They have the particularity of allowing the generation of voltages of several hundred volts, sometimes in a single mechanical actuation. This high voltage, if applied to the terminals of a ''switch'' consisting of two conductors separated by a gap of a few microns, can be the cause of the ''breakdown'' of the ambient dielectric (here the air) if the limits of the Paschen law are reached. Consequently, an electromagnetic wave is generated by this micro-plasma according to the principle of the Hertz experiment. Converting mechanical energy into electromagnetic waves while encoding a data in the transmitted signal will allow to free the transmitter system from any electronics except for a few diodes and capacitors, which will greatly reduce the overall power consumption. Although it has been demonstrated that such a transmission system with a triboelectric energy generator with a surface area of less than one cm2 can emit an electrical pulse that can be sensed at a distance of more than ten meters, the exact mode of transmission and the means of influencing its characteristics are still largely misunderstood. In this thesis, we propose to study in a first step how to maximize the propagation distance by introducing an antenna at the emission which is excited by the generated electric spark. In a second step, the candidate will define the best approach to modulate the emitted signal to transmit information. One possibility would be to add a capacitive sensor in the transmission loop to make the frequency modulation dependent on other mechanical parameters to be measured. Another option is to modulate the emitted spark by controlling the gap between the switch electrodes. This could be achieved by using a MEMS plasma switch with a moving electrode controlled by the capacitive sensor.