A Study of the physical phenomena for supply wireless sensors nodes
Étude des phénomènes physiques utilisables pour alimenter en énergie électrique des micro-systèmes communicants
Résumé
In a few years, many kinds of sensors will invade our every day life. We already meet many of them in the cars, computers or telephony vicinity. This broad scale extension can continue only if two requirements are met, on the one hand, they communicate in a wireless mode and, on the other hand, they are energetically autonomous. Regarding communication systems, tremendous progress and standards have appeared recently. Technology seems fine even if improvements in -electric consumption are still possible. The real problem is now the autonomy of such devices because batteries have short life expectancy and induce pollution problems. - The idea is thus to recover the energy (mechanical, thermal, chemical or radiant) which surrounds the sensors to power them on in order to make them autonomous over all their lifespan. After a thorough important bibliographical study, we directed our study towards the mechanical vibrations energy scavenging. Measuremants have been performed in different places to determine the amount of energy that can be taken from the environment in order to dimension a system that can convert this mechanical energy on a wide band of frequencies. Two prototypes have been realized; the first one at a macroscopic scale using tungsten to validate the concept; a second one, using microfabrication techniques with silicon to obtain a miniaturized size compatible with the dimensions of the sensors to be supplied. The first experiments with the tungsten system have shown that it is possible to extract 480 µW for an excitation of 50 Hz frequency and 80 µm magnitude.
Dici quelques années, des capteurs de toutes sortes vont envahir notre environnement. Nous en rencontrons déjà beaucoup autour de la voiture, de lordinateur ou de la téléphonie. Cette multiplication à grande échelle des capteurs nest toutefois possible que si, dune part, ils communiquent sans fil et, dautre part, ils sont entièrement autonomes du point de vue énergétique. Concernant les systèmes de communication, beaucoup de progrès et de normes sont apparus ces dernières années. La technologie semble être au point, même si des améliorations en terme de consommation sont encore possibles. Quant à lautonomie énergétique, elle pose actuellement un véritable problème à cause de la durée limitée des piles ou batteries, sans compter leurs problèmes de pollution. Lidée est donc de récupérer lénergie (mécanique, thermique, chimique ou rayonnante) qui entoure les capteurs pour les alimenter afin de les rendre autonomes durant leurs durées de vie. Suite à une importante étude bibliographique, nous nous sommes orientés vers la récupération de lénergie de vibrations mécaniques. Une campagne de mesure nous a alors permis dévaluer lénergie disponible dans un certain nombre denvironnements et de dimensionner un système qui permette de convertir sur une large bande de fréquences cette énergie mécanique en énergie électrique. Nous avons alors initialisé deux réalisations ; une première macroscopique en tungstène validant le concept et une deuxième en technologie silicium permettant de miniaturiser le récupérateur dénergie afin de le rendre compatible avec les dimensions des capteurs à alimenter. Les premiers essais avec la structure en tungstène ont montré la possibilité de récupérer environ 480 µW pour une excitation à 50 Hz et damplitude 80 µm.