Proposition de stage de master 2 SESI

Printemps 2012

Conception de générateur d'horloge ultra basse consommation pour le conditionnement de récupérateur d'énergie vibratoire à base d'un résonateur MEMS

Domaine : microélectornique, conception de circuits intégrés analogiques et mixtes, automatique

Institution : Université Paris-VI (Pierre et Marie Curie)

Laboratoire : Laboratoire d'Informatique de Paris-VI (LIP6), département SOC

Durée : 6 mois

Indemnité : 439 euros/mois net

Cadre et collaborations : projet ANR SESAM, en collaboration avec le ESIEE Paris

Lieu de travail : 4, place Jussieu, 75005 Paris

Contact : Dimitri Galayko, dimitri(.)galayko(at)lip6, tel. +33 1 44 27 70 16

Contexte. Description du projet.

Dans un réseau de capteurs sans fil, les capteurs sont souvent appelés à fonctionner longtemps sans intervention humaine, de façon la plus autonome possible vis à vis de l’alimentation électrique : d’où l’intérêt pour les systèmes permettant de récupérer de l’énergie de l’environnement. Le projet dans lequel s’inscrit le sujet de stage traite un système de récupération d’énergie mécanique (de vibration), dont le schéma général est donné fig. 1. Un tel système est composé de 3 blocs : un résonateur mécanique permettant de capturer de l’énergie mécanique de l’environnement, un transducteur électromécanique (appelé parfois un transformateur d’énergie), et l’électronique de conditionnement destinée à assurer le fonctionnement du capteur et à mettre l’énergie en forme appropriée pour alimenter une charge [1,2]. Ce projet s’intéresse à une conversion électromécanique utilisant une capacité variable, dont la valeur varie avec les vibrations. Cette capacité est réalisée dans une technologie de micro-usinage de silicium (généralement dite MEMS).

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

Ici, Le principe de récupération d’énergie est basé sur le fait qu’à charge q constante, l’énergie W nécessaire pour charger une capacité C est plus grande pour une valeur de la capacité plus petite (W=q²/(2C)). De même, l’énergie qui se libère lorsqu’une capacité se décharge est inversement proportionnelle à la valeur de la capacité. Ainsi, dans le contexte du système de la figure 1, il est possible de charger la capacité lorsque celle-là est grande, et de la décharger lorsqu’elle est petite. La différence de l’énergie obtenue dans un tel cycle « charge-décharge » peut être utilisée pour alimenter un circuit électrique faible consommation.

C'est le circuit de conditionnement qui rend possible le processus de charge-décharge cyclique, et qui génère une tension constante nécessaire pour alimenter un circuit. C'est le bloc le plus critique du système, et c'est sur cette partie que sont concentrés les efforts de conception. Les recherches sur sa conception et sur son optimisation sont toujours en cours au niveau mondial.

Figure. 2. Circuit de conditionnement

Fig. 2 présente un exemple de circuit de conditionnement qui permet d'assurer un cycle de charge-décharge nécessaire à l'extraction de l'énergie de l'environnement (proposée dans [1], une description de son fonctionnement est donnée dans [1,3]). Le régime de fonctionnement du circuit est déterminé par le timing de commutation du switch SW ; un circuit de commande " intelligent " est sur le point d'être conçu au sein de l'équipe CIAN. Cependant, dans la version actuelle du prototype, certaines foncitons sont " externalisées " : en particulier, la génération d'horloge et de tension d'alimentation sont considérés comme étant externes.

Objectif du stage

L'objectif de stage est de concevoir un des blocs de base nécessaires au fonctionnement autonome du circuit : un générateur d'horloge basse fréquence. La principale contrainte liée à cette tâche est une très faible niveau d'énergie disponible pour alimenter ce bloc. Cette contrainte déterminera le choix de l'architecture et l'approche pour la génération de signal d'horloge.

Le stage inclut les étapes suivantes :

• Etude bibliographique et choix de l'architecture : il conviendra d'étudier les réalisations existantes ayant des contraintes similaires, et d'en choisir l'architecture la plus appropriée.

• Effectuer une conception de cette architecture en technologie 0,35 mm AMS. Le résultat final de cette conception est le layout du bloc, prêt à être intégré dans le layout du circuit global.

Ce travail se déroulera en coopération étroite de l’équipe CIAN du LIP6

Competénces souhaitées

• Electronique analogique / mixte

• Conception de circuits intégrés analogiques / mixte MOS, connaissance d'outils de CAO (VHDL-AMS, Mathlab, Simulink, Spice/Spectre/Eldo, Cadence...)

• Automatique , mathématiques

• Connaissance de base de la théorie de systèmes non-linéaires seront très utiles pour ce travail

Références

[1] Yen et al., “A Variable-Capacitance Vibration-to-Electric Energy Harvester”, IEEE TCAS, I, vol.53,2,Fev 2006, p.288-295

[2] M. Salem, M. Salem, A. Zekry and H. Ragai, “Determining the required pulses for controlling the operation of electrostatic MEMS converters”, The 2006 Int. Conf. on MEMS, NANO and Smart Systems”, pp. 27 – 30, Cairo, Egypt.

[3] D. Galayko, R. Pizarro, P. Basset, A. M. Paracha, G. Amendola, “AMS modeling of controlled switch for design optimization of capacitive vibration energy harvester”, IEEE BMAS 2007 international conference, september 2007, San José, California, USA