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Conception et modélisation des interfaces électriques pour les dispositifs de récupération d'énergie vibratoire en large bande de fréquences

Sujet proposé par
Directeur de thèse:
Doctorant: Armine KARAMI
Unité de recherche UMR 7606 Laboratoire d'informatique de Paris 6

Domaine: Sciences et technologies de l'information et de la communication

Projet

Sujet de thèse de doctorat

Directeur : Dimitri Galayko

Lieu : laboratoire LIP6 – UPMC Sorbonne

Contexte. Depuis 2007, le LIP6 mène un projet de recherche sur les systèmes de génération d’électricité à micro-échelle pour l’alimentation des systèmes sur puce autonomes, à partir des vibrations ambiante. Il s’agit d’un axe de recherche interdisciplinaire, nécessitant un concours des compétences pointues en électronique, en micro-technologies et en mécanique. Le LIP6 travaille sur l’étude, modélisation et conception des interfaces électroniques intégrées entre le capteur d’énergie mécanique et la charge utile alimentée par l’énergie générée. Sur ce thème, le LIP6 collabore étroitement avec des laboratoires spécialistes dans les microtechnologies et dans la modélisation mathématique des systèmes non-linéaires : ESIEE Paris (laboratoire ESYCOM) et UCD (University College Dublin). Le LIP6 est spécialisé dans trois aspects :

  • Modélisation numérique hétérogène du système complet incluant le transducteur électromécanique, le résonateur, le circuit de conditionnement et la charge utile,
  • Elaboration de la méthodologie de conception globale permettant de dimensionner l’ensemble des composants (électriques, mécaniques) du micro-générateur d’énergie pour atteindre des performances souhaitées dans un contexte donné,
  • Conception d’architectures de circuits de conditionnement intelligent et adaptatifs, et leur intégration sur silicium en technologie CMOS.
  • La complémentarité entre les trois compétences développées au LIP6, ainsi qu’une proximité avec une équipe ayant des facilités et l’expertise pour la fabrication et la conception de dispositifs micromécaniques. Ainsi, nous avons une facilité expérimentale qui permet de valider les concepts étudiés sur des systèmes réalistes, et procure une visibilité importante pour nos travaux.

    Problématique adressée par la thèse. Jusqu’à présent, les études ont été focalisées sur les systèmes employant des résonateurs linéaires, à plage de fréquence étroite, et essentiellement compatibles avec des vibrations périodiques, en bande étroite, et à fréquences relativement élevées. Cependant, dans les applications réalistes les vibrations sont le plus souvent à basses ou très basses fréquences (DC-50 Hz), et de nature stochastiques/de large bande. Ce contexte nécessite des structures mécaniques, ainsi que des circuits électriques différents : non-linéaires, et compatibles avec un fonctionnement en mode « bruit ». La conception conjointe « électrique-mécanique » d’un récupérateur d’énergie vibratoire compatible avec des vibrations en large bande est un problème non-résolu et généralement peu abordé, les travaux actuels se focalisant sur l’étude des résonateurs mécaniques large bande sans prendre en compte les interfaces électroniques. La modélisation numérique et mathématique de tels systèmes pose un problème méthodologique, indispensable à aborder pour faire de la conception optimale systématique de tels systèmes.

    Sujet de thèse. La thèse de doctorat s’intéressera à la conception des interfaces électroniques pour les récupérateurs d’énergie vibratoire en large bande, ainsi qu’à la méthodologie de modélisation et de conception du système électromécanique global. L'accent sera mis sur l'étude des circuits électroniques intelligents capables de conditionner d'une manière optimale un capteur non-linéaire d'énergie vibratoire, utilisé dans le contexte de vibrations stochastiques. L'étude visera les architectures électroniques compatibles avec les technologies de circuits intégrés. Ce travail se déroulera en collaboration étroite avec le groupe « Microsystèmes » du laboratoire ESYCOM (ESIEE-Paris) spécialisé dans la conception et fabrication des dispositifs micromécaniques, et avec le groupe CAS de University College of Dublin (Irlande) spécialisé dans la modélisation mathématique des systèmes non-linéaires.

    Compétences. Electronique, électricité, goût pour la modélisation mathématique et numérique de systèmes multi-physiques, bonne maîtrise de l’analyse mathématique

    Enjeux

    Jusqu’à présent, les études ont été focalisées sur les systèmes employant des résonateurs linéaires, à plage de fréquence étroite, et essentiellement compatibles avec des vibrations périodiques, en bande étroite, et à fréquences relativement élevées. Cependant, dans les applications réalistes les vibrations sont le plus souvent à basses ou très basses fréquences (DC-50 Hz), et de nature stochastiques/de large bande. Ce contexte nécessite des structures mécaniques, ainsi que des circuits électriques différents : non-linéaires, et compatible avec un fonctionnement en mode « bruit ». La conception conjointe « électrique-mécanique » d’un récupérateur d’énergie vibratoire compatible avec des vibrations en large bande est un problème non-résolu et généralement peu abordé, les travaux actuels se focalisant sur l’étude des résonateurs mécaniques large bande sans prendre en compte les interfaces électroniques. La modélisation numérique et mathématique de tels systèmes pose un problème méthodologique, indispensable à aborder pour faire de la conception optimale systématique de tels systèmes.

    Ouverture à l'international

    Ce travail se déroulera en collaboration étroite avec le groupe « Microsystèmes » du laboratoire ESYCOM (ESIEE-Paris) spécialisé dans la conception et fabrication des dispositifs micromécaniques, et avec le groupe CAS de University College of Dublin (Irlande) spécialisé dans la modélisation mathématique des systèmes non-linéaires.