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Article

1 - RÉCUPÉRATION D'ÉNERGIE MÉCANIQUE. STRUCTURES ÉLECTROSTATIQUES

2 - PRINCIPE DE LA RÉCUPÉRATION D'ÉNERGIE MÉCANIQUE PAR SYSTÈMES ÉLECTROSTATIQUES

3 - STRUCTURES DE RÉCUPÉRATION D'ÉNERGIE MÉCANIQUE PAR PHÉNOMÈNES ÉLECTROSTATIQUES

4 - BILAN ET LIMITES

5 - CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Article de référence | Réf : RE160 v1

Bilan et limites
Microstructures électrostatiques de récupération d'énergie vibratoire pour les microsystèmes

Auteur(s) : Sébastien BOISSEAU, Ghislain DESPESSE, Jean-Jacques CHAILLOUT, Alain SYLVESTRE

Date de publication : 10 oct. 2010

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RÉSUMÉ

Les microsystèmes électromécaniques (MEMS) sont présents dans de nombreux domaines tels que le transport, la défense ou les télécommunications, et permettent, sur de petites surfaces, de réaliser des fonctions de capteurs et d'actionneurs. Pour ce faire, le MEMS a besoin d'une source d'énergie. Jusqu'à présent cette fonction est assurée par des batteries dont le principal défaut est la durée de vie. Une solution consiste donc à récupérer l'énergie dans l'environnement immédiat du microsystème. Cet article s'intéresse à la récupération de l'énergie vibratoire par des systèmes électrostatiques, et présente les principes de conversion ainsi qu'un état de l'art.

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ABSTRACT

Microelectromechanical systems (MEMS) are used in a large number of domains such as transportation, defense and telecommunications and can function as sensors or actuators on small surfaces. In order to achieve this, MEMS need a source of energy. This function has until now been ensured by batteries whose major drawback is their short lifetime. A solution consists in recovering the energy present in the immediate environment of the microsystem. This article deals with the recovery of vibrational energy by electrostatic systems and presents the conversion principles as well as the state-of-the-art methods.

Auteur(s)

INTRODUCTION

Résumé

Les MEMS (microsystèmes électromécaniques) sont présents dans de nombreux domaines tels que le transport, la défense ou les télécommunications... et permettent, sur de petites surfaces, de réaliser des fonctions de capteurs et d'actionneurs. Pour ce faire, le MEMS a besoin d'une source d'énergie. Jusqu'à présent, cette fonction est assurée par des batteries dont le principal défaut est la durée de vie limitée. Une solution consiste donc à récupérer l'énergie dans l'environnement immédiat du microsystème. Nous nous intéressons ici à la récupération de l'énergie vibratoire par des systèmes électrostatiques, et en présentons les principes de conversion, ainsi qu'un état de l'art.

Abstract

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) are present in many fields such as transportation, defense and telecommunications... and can, with small dimensions, perform functions of sensors and actuators. To do so, MEMS require a source of energy. So far, this function is provided by batteries whose main fault is the limited lifetime. One solution is to harvest energy in the immediate vicinity of the microsystem. Here we focus on the harvesting of vibrational energy by electrostatic systems, and present the principles of conversion and a state of the art.

Mots-clés

MEMS, récupération d'énergie, systèmes autonomes, électrets, systèmes capacitifs, systèmes électrostatiques, vibrations, conversion d'énergie, smart dusts, décharge Corona

Keywords

energy harvesting, autonomous systems, electrets, capacitive systems, MEMS, electrostatic systems, vibrations, converters, smart dusts, Corona discharge

Points clés

Domaine : énergie

Degré de diffusion de la technologie : Émergence

Technologies impliquées : électrets, fabrication microsystèmes, électronique

Domaines d'application : systèmes autonomes, capteurs sans fils, récupération d'énergie

Principaux acteurs français :

Centres de compétence : CEA Grenoble, ESIEE

Autres acteurs dans le monde : IMEC, Université de Tokyo, Caltech, Imperial College London, Omron, Sanyo

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-re160


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4. Bilan et limites

4.1 Récapitulatif des systèmes existants

Les tableaux 3 et 4 dressent un bilan des systèmes de récupération d'énergie électrostatiques avec et sans électret que l'on peut trouver dans la littérature aujourd'hui.

Le tableau 4 montre ainsi une augmentation importante du nombre de systèmes de récupération d'énergie à base d'électrets depuis 2003 ainsi que l'implication de sociétés comme Sanyo ou Omron dans le développement de ces solutions.

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4.2 Limites et challenges de ces systèmes

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4.2.1 Intégration

La question de l'intégration est une problématique commune à tous les systèmes de récupération d'énergie. En effet, la puissance de sortie d'un système de récupération d'énergie mécanique résonant est plus ou moins proportionnelle à la masse mobile et nous retiendrons en premier ordre de grandeur que pour des vibrations ambiantes (50 μmpp à 50 Hz) la puissance récupérable atteint 10 μW par gramme de masse mobile. Pour des raisons de densités et de stabilité des structures, la masse mobile est liée à la dimension du système ; c'est pourquoi, pour espérer récupérer des puissances de l'ordre de quelques dizaines de microwatts à vibrations ambiantes, il est difficile d'imaginer des systèmes d'une taille inférieure à 1 cm × 1 cm.

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4.2.2 Fréquences de travail

Les vibrations ambiantes sont généralement de basses fréquences (typiquement inférieures à 150 Hz). De plus, en observant le spectre en fréquence de ces accélérations, on remarque que les vibrations sont étalées en fréquences. Cela implique l'utilisation de systèmes basses fréquences...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - Technology review MIT -   10 Emerging technologies that will change the world.  - 

  • (2) - CUADRAS (A.), GASULLA (M.), GHISLA (A.), FERRARI (V.) -   Energy harvesting from PZT pyroelectric cells.  -  Proc. IMTC'06 (2006).

  • (3) - ROUNDY (S.J.) -   Energy scavenging for wireless sensor nodes with a focus on vibration to electricity conversion.  -  PhD. Thesis, the university of California, Berkeley (2003).

  • (4) - MITCHESON (P.), YEATMAN (E.), RAO (G.), HOLMES (A.), GREEN (T.) -   Energy harvesting from human and machine motion for wireless electronic devices.  -  Proceedings of the IEEE 96 (2008).

  • (5) - DESPESSE (G.) -   Étude des phénomènes physiques utilisables pour alimenter en énergie électrique des micro-systèmes communicants.  -  Thèse INPG (2005).

  • (6) - KHBEIS (M.), McGEE (J.), RICHARDSON (C.), GHODSSI (R.) -   Design...

1 Sites Internet

EHG - Energy Harvesting Group http://www.linkedin.com

Energy Harvesting and MicroPower http://www.linkedin.com

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2 Événements

Conférence PowerMEMS http://www.powermems.org

Conférence MEMS http://ieeemems.org

International Symposium on Electrets

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3 Brevets

Procédé et dispositif de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique FR2896635.

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