Réalisation d’un circuit intégré en AMS035 CMOS pour la gestion d’un récupérateur d’énergie vibratoire

Contexte. Dans un réseau de capteurs sans fil, les capteurs sont souvent amenés à fonctionner longtemps sans intervention humaine, de façon la plus autonome possible vis-à-vis de l’alimentation électrique. Les capteurs de très basse consommation et qui peuvent recharger de manière autonome leur unité de stockage d’énergie électrique sont particulièrement intéressants dans ce cadre. Nous nous intéressons ici à une recharge du capteur en énergie électrique par transformation d’énergie mécanique en énergie électrique. Le composant qui permet cette conversion est un condensateur dont la valeur de la capacité varie avec les vibrations (fig. 1). Le LIP6 travaille en collaboration avec une équipe de l’ESIEE Paris animée par Philippe Basset, qui conçoit des dispositifs MEMS pour la récupération d’énergie, dont un exemple récent est donné fig. 2 [1].

Figure 1. Exemple de convertisseur d’énergie mécanique/électrique

Figure 2. Exemple de la partie mécanique du système de la figure 1, réalisé à l’ESIEE en 2015 [1].

Le dispositif de la fig. 2 traduit les vibrations externes en une variation de la capacité du transducteur. Pour ensuite convertir la variation de la capacité du transducteur en électricité, on utilise une pompe de charge inspirée du doubleur de Bennet [2], cf. fig. 3. Il s’agit d’un circuit qui affiche une augmentation exponentielle de la tension de polarisation (celle mesurée sur les capacités fixes C1 et C2), et ainsi, permet de maximiser le couplage électromécanique. Pour assurer un fonctionnement optimal, il est nécessaire d’utiliser un circuit de gestion de puissance dont une structure possible est donnée fig. 4, [3].

Figure 3. Circuit de conditionnement à base de doubleur d’électricité de Bennet [2]

Figure 4. Architecture du circuit de gestion de puissance dans un récupérateur d’énergie [3].

Problème abordé par le sujet de stage. Des chercheurs du LIP6 travaillent actuellement sur la conception d’un circuit de gestion de puissance pour le circuit de conditionnement de Bennet connecté. Il s'agit d'un circuit intégré qui sera réalisé en technologie AMS 0.35 ?m haute tension. Actuellement, le circuit est conçu au niveau du schéma électrique, et est validé par une simulation.

Le stagiaire devra poursuivre ce travail en réalisant les étapes préparatoires en vue d'une réalisation physique de la puce : (i) étude du comportement du circuit en fonction de la température et des variations technologiques, (ii) réalisation du layout, (iii) campagne de vérification du layout et démarches de « layout finishing ».

Programme du travail. Le stage inclut les étapes suivantes :

1. Prise en main du circuit conçu jusqu’à présent ; réalisation de tests en simulation dans différentes configurations proposées par l’équipe encadrante (1 mois)
2. Etude de l’influence des variations technologiques sur le comportement du circuit, simulation Monte-Carlo (1 mois)
3. Conception du layout (3 mois)
4. Rédaction du rapport de stage et de documentation de conception (1 mois reparti sur la durée du stage)

Equipe encadrante. Ce travail sera encadré par Dimitri Galayko (LIP6, UPMC), en collaboration avec Philippe Basset (ESIEE Paris). Compétences requises : Electronique analogique, électronique pratique, compétences générales en EEA.

Bibliographie

[1]. Lu Y, O’Riordan E, Cottone F, Boisseau S, Galayko D, Blokhina E, Marty F, Basset P. A batch-fabricated electret-biased wideband MEMS vibration energy harvester with frequency-up conversion behavior powering a UHF wireless sensor node. Journal of Micromechanics and Microengineering. 2016 Sep 29;26(12):124004.

[2]. Galayko D, Dudka A, Karami A, O'Riordan E, Blokhina E, Feely O, Basset P. Capacitive Energy Conversion With Circuits Implementing a Rectangular Charge-Voltage Cycle—Part 1: Analysis of the Electrical Domain. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. 2015 Nov;62(11):2652-63.

[3]. Electrostatic Kinetic Energy Harvesting, Philippe Basset, Elena Blokhina, Dimitri Galayko, ISBN: 978-1-84821-716-4, 244 pages, March 2016, Wiley-ISTE