Modélisation électrique avancée et gestion efficace de l'énergie des générateurs triboélectriques pour la récupération d'énergie cinétique et les applications d'IoT auto-alimentées par détection

Advanced electrical modelling and efficient power management of triboelectric generators for kinetic energy harvesting and self-powered sensing IoT applications

• Auteur / Autrice : Hachem Mortada
• Direction : Philippe Basset
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Inscription en doctorat le 01/01/2024
• 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

Transduction électrostatique

Effet triboélectrique

Capteurs

Conversion énergie mécanique-électrique

Commutateurs à micro-plasma

Modélisation à éléments concentrés

Electrostatic transduction

Triboelectric effect

Sensors

Mechanical-to-electrical energy conversion

Microplasma switches

Lumped-element modeling

Résumé

Contexte de l'étude La transduction électrostatique utilisant l'effet triboélectrique est une technique possible pour convertir l'énergie mécanique en énergie électrique afin d'alimenter des capteurs. Elle a l'avantage particulier d'être bien adaptée aux dispositifs flexibles et plans tels que les textiles et les patchs de santé dits ''seconde peau''. Des dispositifs de base peuvent être fabriqués très simplement, mais de nombreux travaux sont en cours pour optimiser cet effet, en particulier en utilisant des micro/nano-technologies. De plus, les principes fondamentaux sous-jacents, la modélisation correcte des capteurs triboélectriques et la conception de leurs circuits de conditionnement restent des sujets très actuels. Objectif de la thèse Lorsque 2 matériaux, dont au moins un diélectrique, entrent en contact, un transfert de charge (semi-)permanent peut se produire dans le diélectrique. Ce transfert varie selon les matériaux choisis et les modifications microscopiques de surface. Une fois chargé, le diélectrique génère un champ électrostatique permanent qui polarise une capacité qui varie sous l'effet d'une force mécanique externe. C'est la combinaison de cette polarisation de contact et de la variation de capacité qui est responsable de la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique. Cette dernière peut ensuite être utilisée pour alimenter différents types de capteurs, qui peuvent fonctionner sans batterie ou être rechargés. Selon la force de frottement/contact, la variation de capacité et la tension de surface induite du générateur triboélectrique (TGs), de nouveaux systèmes de conditionnement doivent être conçus pour une conversion efficace de l'AC en DC. Le travail de thèse consistera d'abord à caractériser divers TGs textiles et à développer des modèles à éléments concentrés précis à utiliser dans un simulateur Spice. Ensuite, des circuits de conditionnement dédiés seront conçus pour maximiser la conversion d'énergie à haute tension. Une autre approche, qui pourrait faciliter l'intégration réussie dans le textile, est de développer des TGs à courant continu (DC-TGs), qui ne nécessitent pas de diodes. Lorsque les 2 matériaux sont mis en friction, et qu'il s'agit de 2 semi-conducteurs de type P et N respectivement, des paires électron-trou sont générées à l'interface et un courant continu apparaît. Cela ressemble quelque peu à l'effet photovoltaïque, c'est pourquoi on l'appelle parfois ''l'effet tribovoltaique''. Ce phénomène de génération d'une tension continue à partir d'un phénomène de frottement aller-retour a également été observé entre un métal ou un liquide et un semi-conducteur. Cela pourrait permettre de se passer d'un circuit redresseur AC/DC pour alimenter un système, et ainsi simplifier sa conception. La tension redressée des TENGs peut être très élevée, c'est-à-dire de plusieurs centaines de volts. Une solution pour convertir le signal haute tension (HV) vers une basse tension continue utile de quelques volts (typiquement 3 V), est d'implémenter un commutateur à micro-plasma dans un convertisseur DC-DC. Dans cette thèse, des commutateurs à micro-plasma faits de silicium cristallin massif seront implémentés. Une conversion d'énergie efficace sera réalisée par un commutateur à faible hystérésis, capable de fonctionner en continu à HV. Il combinera les principes de micro-décharge et de traction électrostatique, évitant l'utilisation de circuits électroniques consommateurs d'énergie. Différents procédés seront étudiés pour les commutateurs à plasma, en tenant compte de la fiabilité du dispositif et du coût de fabrication.

Stydy context Electrostatic transduction using the triboelectric effect is one possible technique for converting mechanical energy into electrical energy to power sensors. It has the particular advantage of being well suited to flexible, planar devices such as textiles and so-called ''second-skin'' health patches. Basic devices can be fabricated very simply, but a great deal of work is being done to optimize this effect, in particular using micro/nano-technologies. Moreover, the underlying fundamental principles, the correct modeling of triboelectric sensors, and the design of their conditioning circuits, remain highly topical issues. Objective of the thesis When 2 materials, including at least one dielectric, come into contact, a (semi)permanent charge transfer can occur in the dielectric. This transfer varies according to the materials chosen and the modifications microscopic surface modifications. Once charged, the dielectric generates a permanent electrostatic field that polarizes a capacitance that varies under the effect of an external mechanical force. It is the combination of this contact polarization and the variation in capacitance that is responsible for the conversion of mechanical energy into electrical energy. The latter can then be used to power different types of sensors, which can either operate without a battery or be recharged. Depending on the friction/contact force, the capacitance variation and the induced surface voltage of the triboelectric generator (TGs), novel conditioning systems have to be designed for efficient AC to DC conversion. The thesis work will first consist in characterizing various textile TGs and to develop accurate lumped-element models to be used in a Spice simulator. Then dedicated conditioning circuits will be designed for maximizing the energy conversion at high-voltage. Another approach, that could facilitate the successful integration into the textile, is to develop direct-current TGs (DC-TGs), which do not request any diodes. When the 2 materials are brought into friction, and these are 2 semiconductors of type P and N respectively, electron-hole pairs are generated at the interface and a DC current appears. This is somewhat similar to the photovoltaic effect, which is why it's sometimes called the ''tribovoltaitic effect''. This phenomenon of generating a DC voltage from a back-and-forth friction phenomenon has also been observed between a metal or liquid and a semiconductor. This could make it possible to dispense with an AC/DC rectifier circuit for powering a system, and thus simplify its design. The rectified voltage of TENGs can be very high, i.e. more than several hundreds of volts. A solution to convert the high-voltage (HV) signal toward a useful low DC voltage of a few volts (typically 3 V), is to implement a micro-plasma switch in a DC-DC converter. In this thesis, microplasma switches made of bulk crystalline silicon will be implemented. An efficient energy conversion will be achieved by a switch with low hysteresis, capable of continuous operation at HV. It will combine the principles of micro-discharge and electrostatic pulling, avoiding the use of power-consuming electronic circuits. Different processes will be studied for the plasma switches, considering the device reliability and the fabrication cost.