Modélisation comportementale des effets non-linéaires d’un récupérateur d’énergie vibratoire à transduction électrostatique (e-REV)

Début : 2ème semestre 2012-2013

Durée : 6 mois

Encadrant : Dimitri Galayko, Philippe Basset

Lieu : Laboratoire LIP6 (Univ. Paris-VI, Paris) et ESIEE (Noisy Le Grand)

Indemnité : 417 euros / mois.

Attribué à M. Fadi Nader de master SESI

Contexte. 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. Les capteurs à très basse consommation et qui peuvent recharger de manière autonome leur source 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). Un exemple de réalisation de cette structure est donné sur la photo de la fig. 2.

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

Figure 2. Exemple de la partie mécanique du système de la figure 1.

Le principe de récupération d’énergie est basé sur le fait que 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.

Problème abordé par le sujet de stage. Les récents tests du dispositif mécanique fabriqué à l’ESIEE (fig. 2) ont mis en évidence un comportement complexe de la structure mécanique, notamment, en raison des nonlinéarités liées à l’amortissement dû à la couche d’air, et aux déformations de la structure. La modélisation compacte de ces phénomènes est primordiale pour la conception du système de génération d’énergie. Notamment, on souhaite avoir un modèle VHDL-AMS intégrable dans un modèle Spice du circuit de conditionnement, et qui prendrait en compte ces phénomènes.

Dans ce stage nous proposons d’améliorer le modèle comportemental d’un e-REV micro-usiné en silicium actuellement en test dans notre laboratoire [1]. A partir d’un modèle de base prenant déjà en considération les non-linéarités électriques [2] et certaines non-linéarités mécaniques en flexion [3], nous souhaitons étudier puis implémenter les effets induits par la présence de l’air, l’éventuel contact avec des stoppeurs mécaniques et une possible déformation en torsion de la structure mobile.

Programme du travail. La première partie du travail consistera à modéliser par éléments finis le comportement mécanique du transducteur MEMS. Ensuite il faudra affiner et valider un modèle des forces de frottement de la masse mobile préalablement défini lors d’un précédent stage. Puis les résultats obtenus seront implémentés dans un code VHDL-AMS et les simulations comparées avec l’expérience.

Ce travail sera effectué en étroite collaboration avec le Professeur D. Galayko du LiP6, et s’inscrit plus largement dans une collaboration entre ESIEE Paris, le LIP6, l’Université de Dublin et l’Ecole Polytechnique de Tunis.

Compétences requises : Techniques de modélisation, VHDL-AMS, connaissance de base en mécanique