Fiche WOW - Frederic HASBANI

Fondé en 1987, STMicroelectronics est aujourd’hui le premier fabricant européen de semi-conducteurs avec plus de 53
000 collaborateurs et est présent dans 36 pays. Nos composants sont au cœur de tous les systèmes électroniques de
télécommunication, informatique, automobile, grand public, cartes à puces… Nous recherchons :
Intitulé
Développement de solutions innovantes de récupération
d’énergie électrique à partir d’un flux de chaleur
Le projet s’inscrit dans l’objectif de rendre autonome
énergétiquement un système électronique de faible
puissance comme les nœuds de capteur sans fil. L’activité de ce type
de système est faiblement répétitive, ce
qui permet d’approvisionner de l’énergie sur une grande période de
temps par rapport à son utilisation. Cette
démarche nécessite une fonction de grappillage en vue de la charge
dans un réservoir (batterie ou
condensateur). Les enjeux concernent la fonction de grappillage, la
stratégie de stockage et la conversion
pour adapter la réserve d’énergie aux besoins des fonctions
consommatrices.
Descriptif
Parmi toutes les sources envisagées pour la récupération d’énergie,
ou grappillage d’énergie, la chaleur
occupe un rang où les efforts de recherche et développement sont
nombreux. En particulier l’effet Seebeck
est mis à profit et l’état de l’art montre des solutions acceptables
jusqu’à des gradients de l’ordre de 3K. Or
pour maintenir ce gradient, il est très souvent nécessaire d’imposer
une face froide, obtenue par un système
thermique. Ce système thermique présente une limitation en masse
et taille : il est notamment épais comparé
à l’épaisseur d’une puce silicium.
Il existe de nombreuses sources de chaleur au sein même des
appareils électriques ou électroniques. Pour
tirer parti de ces sources, tout en garantissant une solution très
mince, le projet s’intéresse à la récupération
d’énergie sans effet Seebeck. L’objectif est d’apporter une expertise
et une démonstration autour d’une
approche assez originale. En termes de performances électriques, le
projet vise un macro-générateur
électrique dans la gamme du μW. A l’échelle d’une stratégie
d’autonomie énergétique, la récupération
visée viendra en complément d’autres appoints de grappillage de
type mécanique, solaire ou
électromagnétique.
Le projet s’appuie sur une preuve de concept de l’association d’un
bilame fabriqué par PVD avec une lame
piézoélectrique [1]. Stimulé par une source de chaleur, le bilame
provoque un choix mécanique sur la lame,
qui, par effet piézoélectrique, répond avec une impulsion électrique.
La lame d’une part et le transfert
d’énergie d’autre part, assurent le refroidissement du bilame. Le
fonctionnement atteindra donc un régime
1 O.Puscasu et al “An innovative heat harvesting technology (HEATec)
for above-Seebeck performance” presented at
IEDM conference (San Francisco, Dec 2012).
cyclique dans des conditions thermiques stables thermiques. En
dehors de ces conditions, les impulsions
mécaniques, donc électriques, peuvent devenir sporadiques. Ces
deux modes extrêmes d’excitation
mécanique d’une lame piézoélectrique sont connus et des éléments
de réponse ont été apportés sur le plan
de la récupération électrique []. Or chaque cas d’espèce en termes de
conditions thermo-mécano-électriques
conduit à une architecture de conversion particulière et un mode
opératoire particulier.
Par exemple une
contrainte quasi-statique dans l’élément piézoélectrique engendre
une tension bidirectionnelle, alors qu’une
contrainte dynamique (choc) engendre une tension unidirectionnelle.
L’encastrement bilame/lame proposé
ouvre sur un nouveau type de spécification vis-à-vis de la
récupération électrique.
L’ambition du projet est l’étude de l’assemblage bilame/lame
piézoélectrique vis-à-vis du flux électrique avec
l’objectif de démontrer une solution la plus monolithique possible de
la conversion électrique vers la charge
d’une batterie ou d’un (super)condensateur, avec une adaptation à la
variété des modes de fonctionnement
de l’assemblage. Un point fort sera d’abaisser le plus possible les
capacités à récupérer de l’énergie électrique
dans le cas d’un fort sporadisme des impulsions mécaniques. La
problématique de démarrage « à froid » du
système constitue une première contrainte opérative. Par ailleurs, la
présence d’une batterie ou d’un
condensateur pour la récupération au long cours, pose le problème
supplémentaire, lorsque cette
réserve est constituée, d’un chemin direct d’alimentation de la
charge. De plus, il faudra tenir compte de
l’ajout d’un dispositif de commutation de la tension piézoélectrique
mis en parallèle ou en série avec le circuit
classique de conversion servant à améliorer le couplage
électromécanique au sein du matériau [2]. Il y a donc
un grand nombre de conditions opératives correspondant à des
points d’optimisation différents du système.
Le projet vise donc à analyser ces différents points d’optimisation
pour proposer des solutions fonctionnelles.
Enfin s’agissant d’un système assez complexe, le projet doit
s’intéresser à la validation expérimentale
exhaustive. Il est à noter que la littérature ne propose pas de figure
de mérite, ou indicateur chiffré,
largement partagé : la spécificité du système oblige à faire une
proposition et la valider.
[1] S.Monfray et al. “Innovative thermal energy harvesting for zero
power electronics” Proc. IEEE Silicon Nanoelectronics
Workshop (Honolulu, Hawaii, USA, 10-11 June 2012)
[2] D. Guyomar et al. “Toward Energy Harvesting Using Active
Materials and Conversion Improvement by Nonlinear
Processing” IEEE Trans. On Ultrasonics, Ferroelectrics, And Frequency
Control, vol. 52, no. 4, 2005
Niveau d’étude requis
/
Compétences requises
/
Dates et lieu de la
thèse
Contact
Thèse conjointe entre la société STMicroelectronics et les laboratoires SATIE et Ampère
- Frederic HASBANI [email protected]