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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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26documents trouvés

16450
01/12/2016

Conception et réalisation de composants de puissance à superjonction et à tranchées profondes pour des applications 600 V et 1200 V

S.NOBLECOURT

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 1 Décembre 2016, 150p., Président: P.AUSTIN, Rapporteurs: D.PLANSON, G.GAUTIER, Examinateurs: L.THEOLIER, Y.SPIGEL, Directeurs de thèse: F.MORANCHO, J.TASSELLI , N° 16450

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01451021

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Résumé

L’énergie et le transport sont au centre des recherches de développement durable. L’amélioration du rendement de la chaine énergétique passe inévitablement par une amélioration du rendement de chacune des parties la composant. Les activités de recherche en électronique de puissance s’inscrivent pleinement dans ces perspectives. L’objet de cette thèse est de proposer des solutions alternatives à l’utilisation de l’IGBT dans les convertisseurs employés pour le transport dans les gammes de 600V et 1200V. De nombreuses recherches se sont concentrées sur l’amélioration des composants MOSFET, notamment pour améliorer la résistance à l’état passant. Le concept de superjonction est le premier à avoir dépasser la limite théorique du silicium. Il consiste en une alternance de bandes N et P à la place de la zone de drift. A surfaces de silicium identiques, la surface de la jonction PN ainsi obtenue est alors beaucoup plus importante dans la superjonction que dans une diode traditionnelle. La tenue en tension va dépendre de la balance des charges entre ces différentes bandes et ne dépendra plus du dopage. Cela permet d’augmenter le dopage de la zone intrinsèque et d’ainsi diminuer la résistance à l’état passant sans entacher les performances dynamiques du composant. Ainsi, il est donc possible d’améliorer le rendement du composant et donc d’améliorer le rendement de la chaine énergétique. Dans une première partie, les travaux de thèse se sont focalisés sur la conception et l’optimisation de composants à superjonction et à tranchées profondes dans les gammes de 600V et 1200V. L’objectif est d’obtenir le meilleur compromis tenue en tension/ résistance à l’état passant pour ces gammes de tension. L’étude théorique a permis de comprendre le comportement de la tenue en tension de différents paramètres technologiques et géométriques. La tenue en tension est très sensible à l’équilibre des charges et à la verticalité des tranchées. La résistance passante, elle, est sensible à la profondeur de diffusion autour des tranchées et, plus généralement, au ratio de conduction entre la surface de la zone N et la surface totale. La structure a donc été optimisée afin de garantir le meilleur ratio « tenue en tension/résistance à l’état passant » en vue d’une réalisation technologique. De plus, les composants à Superjonction nécessitent une protection en périphérie adaptée. En effet, les terminaisons surfaciques telles que les anneaux de garde ne permettent pas d’étaler la zone de charge d’espace à des profondeurs suffisantes. La terminaison qui est la plus adaptée à cette technologie est la Deep Trench Termination car elle permet de conserver l’équilibre des charges en périphérie et ne rajoute pas d’étapes technologiques supplémentaires. Cette terminaison a donc fait l’objet d’une optimisation aux cours de ces travaux de thèse. La seconde partie de mes travaux concerne la réalisation de la structure optimisée précédemment. L’optimisation de la diode à Superjonction est liée à certains paramètres technologiques pouvant s’avérer critiques pour obtenir les performances électriques désirées: la verticalité des tranchées, l’implantation des zones de type P sur les flancs des tranchées et la maîtrise de leur remplissage par un diélectrique. Afin d’assurer un parfait équilibre des charges entre les régions N et P, la fabrication des tranchées profondes a été optimisée afin d’obtenir des flancs de gravure les plus verticaux possible avec une rugosité de surface la plus faible possible. De plus, un procédé visant à obtenir une même profondeur de gravure quelle que soit l’ouverture a été mis en place afin de permettre un remplissage total des tranchées profondes avec du BenzoCycloButene (BCB). L’étude du remplissage des tranchées a permis de mettre au point un procédé permettant le remplissage des tranchées en un seul dépôt.

Mots-Clés / Keywords
Benzocyclobutène; Composants de puissance; Energie; Superjonction;

138433
16260
22/06/2016

Optimization of the elaboration of insulating layers for the gate structures and the passivation of MIS-HEMT transistors on GaN

R.MEUNIER

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 22 Juin 2016, 141p., Président: A.CAZARRE, Rapporteurs: Y.CORDIER, M.P.BESLAND, Examinateurs: G.TOULON, F.MEDJOUB, Directeurs de thèse: F.MORANCHO, A.TORRES , N° 16260

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01376016

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Abstract

The objective of this Ph.D. is to define the best gate dielectric material to introduce in order to create a high-performance MIS-HEMT transistor on an AlGaN/GaN heterostructure. The aim is to reduce gate leakage current as much as possible while preserving a threshold voltage as high as possible in the case of normally-on type transistors. In order to achieve this, surface treatments before the high-k deposition were, and the deposition technique in itself was investigated. The choice made was to use alumina Al2O3 deposited by PEALD(plasma enhanced atomic layer deposition). In a second time, if time is sufficient, another objective is to achieve the creation of normally-off MIS-HEMT transistors, keeping in mind applying to those transistors the results previously obtained. This was done through complete recces etching of the AlGaN barrier under the gate, integrated in the making of a MIS-HEMT structure. Objectives were achieved in both cases, with state of the art results and their presentation in 4 international conferences. a paper was also published in a scientific journal.

Résumé

La thèse a pour but de définir quel est le diélectrique de grille optimal à introduire dans le cadre de la réalisation d'un transistor MIS-HEMT sur hétérostructure AlGaN/GaN. L'objectif est de réduire les courants de fuite de grille au maximum, tout en assurant une tension de pincement la plus élevée possible dans le cas de transistors de type normally-on. Afin de réaliser cela, les traitements de surface avant dépôt ont été étudiés, ainsi que la méthode de déposition en elle-même. Le choix réalisé a été celui de l'alumine Al2O3 déposé par PEALD (Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition). Un objectif secondaire fut la réalisation de structures MIS-HEMT de type normally-off, en leur appliquant les résultats obtenus précédemment. La solution retenue a été la gravure totale de la barrière d'AlGaN sous la grille par gravure ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma - Reactive Ion Etching) à base de BCl3 intégrée dans la réalisation d'une structure MIS-HEMT. Les objectifs ont été atteints dans les deux cas, avec des résultats à l'état de l'art et des présentations dans 4 conférences internationales. Une publication a été faite dans une revue scientifique.

137413
16505
11/05/2016

Systèmes de récupération d'énergie pour l'alimentation de capteurs autonomes pour l'aéronautique

P.DURAND ESTEBE

ESE

Doctorat : INSA de Toulouse, 11 Mai 2016, 169p., Président: L.ROY, Rapporteurs: S.BASROUR, V.DEJAN, Examinateurs: V.BOITIER, Directeurs de thèse: J.M.DILHAC, M.BAFLEUR , N° 16505

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Abstract

This work deals with energy harvesting and storage to power aircraft embedded wireless sensors. First, we discuss the issue of powering wireless sensors in an aircraft and we present a state of the art of the various energy harvesting and storage technologies that could be used. Then, through the design and construction of two harvesters, we show the possibilities offered by this technology and we explain the design constraints imposed by the application to get a reliable and robust power supply. The first harvester is a photovoltaic power supply located on the upper surface of an A321’s wing supplying a wireless sensors belt nearby. The systems provides 2 watts to the load, works with cloudy weather and is highly resistant to negative temperature (-50°C) and low pressure (200hPa) that are met at aircraft cruising altitude. The second harvester is a thermoelectric power supply located in an A380 pylon supplying a structural health monitoring system. The harvester is highly resistant to high temperature (300°C) and severe vibrations of the installation area and manages to generate the required energy to supply the structural health monitoring sensors. Mechanical and electronic design steps and choices that led to both harvesters are detailed and discussed.

Résumé

Ces travaux portent sur la récupération et le stockage d’énergie pour l’alimentation de capteurs sans fil dans un contexte aéronautique. Dans un premier temps, nous présentons la problématique particulière de l’alimentation des capteurs sans fil dans un tel domaine et dressons un état de l’art des différentes technologies de stockage et de récupération pouvant répondre à ce besoin. Dans un deuxième temps, à travers l’étude et la réalisation de deux récupérateurs, nous montrons les possibilités qu’apporte cette technologie et détaillons les contraintes de conception qu’impose le milieu afin d’obtenir une alimentation robuste et fiable. Le premier récupérateur présenté est une alimentation photovoltaïque située sur l’extrados de l’aile d’un A321 alimentant des bandes de capteurs sans fil proches. Le système fournit 2 watts, fonctionne par temps couvert et résiste aux températures fortement négatives (-50°C) et aux basses pressions (200hPa) qui sont rencontrées à l’altitude de croisière de cet appareil. Le deuxième récupérateur est une alimentation thermoélectrique placée dans le mât réacteur d’un A380 pour alimenter un système de capteurs dédié à la surveillance de l’état de structure. Le système résiste aux températures élevées (300°C) et aux importantes vibrations de la zone d’installation et produit l’énergie nécessaire à l’alimentation du système de capteurs. Les choix et les étapes de conception ayant menés aux deux systèmes sont détaillés, tant au niveau de l’assemblage mécanique que des circuits électroniques.

Mots-Clés / Keywords
Récupération d’énergie; Thermoélectricité; Photovoltaïque; Gestion de l’énergie; Systèmes autonomes sans batterie; Energy harvesting; Thermoelectricity; Photovoltaic; Power management; Battery-less autonomous systems;

138835
15619
07/12/2015

Développement de modèles prédictifs pour la robustesse électromagnétique des composants électroniques

H.HUANG

ESE

Doctorat : INSA de Toulouse, 7 Décembre 2015, 240p., Président: J.M.DILHAC, Rapporteurs: G.DUCHAMP, M.J.ROCA ADROVER, Examinateurs: F.CANAVERO, Directeurs de thèse: D.BEN DHIA, A.BOYER , N° 15619

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01261471

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Abstract

One important objective of the electromagnetic compatibility (EMC) studies is to make the products compliant with the EMC requirement of the customers or the standards. However, all the EMC compliance verifications are applied before the delivery of final products. So we might have some new questions about the EMC performance during their lifetime. Will the product still be EMC compliant in several years? Can a product keep the same EMC performance during its whole lifetime? If not, how long the EMC compliance can be maintained? The study of the long-term EMC level, which is called “electromagnetic robustness”, appeared in the recent years. Past works showed that the degradation caused by aging could induce failures of electronic system, including a harmful evolution of electromagnetic compatibility. In this study, the long-term evolution of the EMC levels of two electronic component groups has been studied. The first electronic component type is the integrated circuit. The high-frequency currents and voltages during the switching activities of ICs are responsible for unintentional emissions or coupling. Besides, ICs are also very often the victim of electromagnetic interference. Another group of components is the passive component. In an electronic system, the IC components usually work together with the passive components at PCB level. The functions of passive components in an electronic system, such as filtering and decoupling, also have an important influence on the EMC levels. In order to analyze the long-term evolution of the EMC level of the electronic components, the study in this thesis tends to propose general predictive methods for the electromagnetic compatibility levels of electronic components which evolve with time.

Résumé

Un objectif important des études de la compatibilité électromagnétique (CEM) est de rendre les produits conformes aux exigences CEM des clients ou les normes. Cependant, toutes les vérifications de la conformité CEM sont appliquées avant la livraison des produits finis. Donc nous pourrions avoir de nouvelles questions sur les performances CEM des systèmes électroniques au cours de leur vie. Les comportements CEM de ces produits seront-ils toujours conformes dans plusieurs années ? Un produit peut-il garder les mêmes performances CEM pendant toute sa durée de vie ? Si non, combien de temps la conformité CEM peut-elle être maintenue ? L'étude à long terme de l'évolution des niveaux CEM, appelée "robustesse électromagnétique», est apparue ces dernières années. Les travaux précédents ont montré que la dégradation causée par le vieillissement pourrait induire des défaillances de système électronique, y compris une évolution de la compatibilité électromagnétique. Dans cette étude, l'évolution à long terme des niveaux CEM de deux groupes de composants électroniques a été étudiée. Le premier type de composant électronique est le circuit intégré. Les courants de hautes fréquences et les tensions induites au cours des activités de commutation de circuits intégrés sont responsables des émissions électromagnétiques non intentionnelles. En outre, les circuits intégrés sont aussi très souvent les victimes d'interférences électromagnétiques. Un autre groupe de composants est formé par les composants passifs. Dans un système électronique, les circuits intégrés fonctionnent souvent avec les composants passifs sur un même circuit imprimé. Les fonctions des composants passifs dans un système électronique, telles que le filtrage et le découplage, ont également une influence importante sur les niveaux de CEM. Afin d'analyser l'évolution à long terme des niveaux CEM des composants électroniques, les travaux présentés dans cette thèse ont pour objectif de proposer des méthodes générales pour prédire l'évolution dans les temps des niveaux de compatibilité électromagnétique des composants électroniques.

Mots-Clés / Keywords
Electromagnetic robustness; Electromagnetic compatibility; Aging; Degradation mechanisms; EMC modeling; Degradation modeling; Integrated circuits; Passive components; Electromagnetic reliability; Robustesse électromagnétique; Compatibilité électromagnétique; Vieillissement; Mécanismes de dégradation; Modélisation CEM; Modélisation de la dégradation; Circuits intégrés; Composants passifs; Fiabilité électromagnétique;

136015
15582
30/01/2015

Approche systémique pour l’analyse de l’impact des décharges électrostatiques : du composant au système

F.CAIGNET

ESE

Habilitation à diriger des recherches : Janvier 2015, 113p., Président: T.PARRA, Rapporteurs: G.DUCHAMP, M.KADI, J.S.AINE, Examinateurs: P.GALY, E.SICARD, A.DURIER, N.NOLHIER, Mentor: M.BAFLEUR , N° 15582

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01292134

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Abstract

With the steady increase of semi-conductor technologies and the explosion of embedded systems into severe environments, failures related to ElectroStatic Discharges (ESD) are growing in importance. ESD are power sources of interferences that can cause the destruction of electronic systems or functionality losses reducing reliability. This is even more critical for aeronautic and automotive applications, where people safety depends on the reliability of embedded electronic products. Studies presented in this document report the last eight years of research activity that I carried out within the group ISGE (Intégration des Systèmes pour la Gestion de l’Energie) then ESE (Energie des Systèmes Embarqués) on the issue of the ESD impact on systems. Facing the complexity of electronic equipment, it is difficult to predict the causes of failures whether hardware or functional. Thank to a systemic approach we present how to predict the ESD impacts through simulation. The proposed methodology is based on the development of dedicated measurement methods and purely behavioral models. The approach gives the opportunity for system level co-design that can be used either by IC founders or equipment manufacturers.

Résumé

De par l’évolution des technologies des semi-conducteurs et la multiplication d’applications embarquées dans des environnements sévères, les défaillances induites par des décharges électrostatiques (ElectroStatic Discharges - ESD) deviennent une préoccupation majeure. Les ESD sont des sources puissantes d’interférences pouvant générer la destruction des systèmes électroniques et des pertes de fonctions, réduisant fortement la fiabilité des équipements. Ceci est d’autant plus critique pour les applications aéronautiques et automobiles où la sécurité des personnes dépend de la robustesse des produits électroniques embarqués. Les travaux présentés dans ce mémoire présentent les huit dernières années d’activité de recherche que j’ai menées au sein du groupe ISGE (Intégration des Systèmes pour la Gestion de l’Energie) puis ESE (Energie des Systèmes Embarqués) sur la problématique de l’impact des décharges électrostatiques sur les systèmes. Face à la complexité des équipements électroniques, il est aujourd’hui difficile de prédire les causes de défaillance qu’elles soient matérielles ou fonctionnelles. Grâce à une démarche systémique, nous présentons comment prédire par la simulation l’impact des ESD. La méthodologie proposée s’est appuyée sur le développement de méthodes de mesure spécifiques et le développement de modèles purement comportementaux. La démarche ouvre la voie à la Co-conception de systèmes fiables aussi bien utilisables par les concepteurs de circuits intégrés que par les équipementiers.

135934
14667
16/12/2014

New concepts for normally-off power Gallium Nitride (GaN) High Electron Mobility Transistor (HEMT)

S.HAMADY

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 16 Décembre 2014, 121p., Président: J.G.TARTARIN, Rapporteurs: Y.CORDIER, C.FRANCIS, Examinateurs: F.LETERTRE, M.GAVELLE, F.MEDJOUB, Directeurs de thèse: F.MORANCHO , N° 14667

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01132563

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Abstract

AlGaN/GaN HEMTs are very promising candidates for high frequency applications with high power and low noise. While switching applications strongly demand normally-off operation, conventional HEMTs attain a channel populated with electrons at zero gate voltage making them normally-on. For the sake of achieving normally-off HEMTs, several structures have been proposed such as recessed gate structures, fluorine ion treatment, pn junction gate structures, thin AlGaN barrier and Gate Injection transistor. The effectiveness of the agent used to obtain normally-off, whether it is recessing the gate, introducing a cap layer or implanting fluorine, increases as the agent comes closer to the AlGaN/GaN interface. Unfortunately, when introducing a cap layer or recessing the gate, coming closer to the interface means decreasing the barrier thickness, which strongly affects the density of the 2DEG. In the case of fluorine implantation, getting closer will increase the probability of fluorine ions getting into the channel and hence degrade the mobility of the 2DEG. In this work we propose two new concepts to achieve normally-off operation. We suggest the introduction of negative fluorine ions on one hand or a p-GaN region on the other hand, below the channel, under the AlGaN/GaN interface and away from high current density regions. After calibrating the simulator using experimental results from a normally-on HEMT device, we have shown that our proposed structures are more effective: the concentration required to achieve normally-off operation is lower than in the other existing solutions and the confinement of the two dimensional electron gas below the gate is better. The proposed ideas were also applied to Metal Insulator Semiconductor HEMT (MIS-HEMT) and Gate Injection Transistor (GIT), giving rise to a normally-off HEMT with high controllable threshold voltage.

Résumé

Les transistors à haute mobilité électronique (HEMTs) en AlGaN/GaN sont des candidats très prometteurs pour les applications haute fréquence, forte puissance et faible bruit. Alors que les applications de puissance exigent des interrupteurs normally-off, les HEMTs conventionnels sont, eux, normally-on, leur canal (gaz bidimensionnel d’électrons 2DEG) étant peuplé d’électrons pour une tension de grille nulle. Plusieurs structures de HEMTs ont été récemment proposées afin de satisfaire à la fonctionnalité normally-off : les plus notables sont celles à grille enterrée (“recessed gate”), à traitement aux ions fluor, à grille de jonction pn, à fine barrière d’AlGaN et à injection de grille (“Gate Injection Transistor”). L’efficacité de l’ « agent » utilisé pour obtenir la fonctionnalité “normally-off”, que ce soit une grille enterrée, une couche barrière ou du fluor implanté, augmente lorsque cet agent se rapproche de l’interface AlGaN/GaN. Malheureusement, introduire une couche barrière ou enterrer une grille proche de cette interface implique une diminution de la hauteur de barrière, ce qui affecte fortement la densité du gaz 2DEG. Dans le cas d’une implantation de fluor, se rapprocher de l’interface augmente la probabilité que des ions de fluor pénètrent dans le canal et dégradent ainsi la mobilité du 2DEG. Dans ce travail nous proposons deux nouveaux concepts pour réaliser la fonctionnalité normally-off. Nous suggérons l’introduction d’ions fluor négatifs d’une part ou d’une région P-GaN d’autre part, sous le canal et sous l'interface AlGaN/GaN, loin des régions à forte densité de courant. Après étalonnage du simulateur, à partir de résultats expérimentaux d’un dispositif HEMT conventionnel normally-on, nous avons montré que les structures proposées étaient plus efficaces : la concentration requise pour réaliser la fonctionnalité normally-off est plus faible que dans les solutions existantes et le confinement du gaz 2D d’électrons sous la grille est meilleur. Les idées proposées ont été aussi appliquées au Métal-Isolant-Semiconducteur HEMT (MIS-HEMT) et au Gate Injection Transistor (GIT), mettant en évidence la possibilité d’obtenir des HEMTs normally-off avec des tensions de seuil élevées.

134103
14628
09/12/2014

Ferrite-based micro-inductors for Power Systems on Chip: from material elaboration to inductor optimisation

T.Y.M.NGUYEN

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 9 Décembre 2014, 133p., Président: T.PARRA, Rapporteurs: E.LABOURE, S.ROY, Examinateurs: P.LEFRANC, Directeurs de thèse: M.BRUNET, J.P.LAUR , N° 14628

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01110428

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Résumé

Les composants passifs intégrés sont des éléments clés pour les futures alimentations sur puce, compactes et présentant des performances améliorées: haut rendement et forte densité de puissance. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier les matériaux et la technologie pour réaliser de bobines à base de ferrite, intégrées sur silicium, avec des faibles empreintes (<4 mm ²) et de faible épaisseur (<250 μm). Ces bobines, dédiées à la conversion de puissance (≈ 1 W) doivent présenter une forte inductance spécifique et un facteur de qualité élevé dans la gamme de fréquence visée (5-10 MHz). Des ferrites de NiZn ont été sélectionnées comme matériaux magnétiques pour le noyau des bobines en raison de leur forte résistivité et de leur perméabilité stable dans la gamme de fréquence visée. Deux techniques sont développées pour les noyaux de ferrite: la sérigraphie d’une poudre synthétisée au laboratoire et la découpe automatique de films de ferrite commerciaux, suivi dans chaque cas du frittage et le placement sur les conducteurs pour former une bobine rectangulaire. Des bobines tests ont été réalisées dans un premier temps afin que la caractérisation puisse être effectuée : les propriétés magnétiques du noyau de ferrite notamment les pertes volumiques dans le noyau sont ainsi extraites. L’équation de Steinmetz a permis de corréler les courbes de pertes mesurées avec des expressions analytiques en fonction de la fréquence et de l'induction. La deuxième phase de la thèse est l'optimisation de la conception de la micro-bobine à base de ferrite, en tenant compte des pertes attendues. L’algorithme générique est utilisé pour optimiser les dimensions de la bobine avec pour objectif ; la minimisation des pertes et l’obtention de la valeur d'inductance spécifique souhaitée, sous faible polarisation en courant. La méthode des éléments finis pour le magnétisme FEMM est utilisée pour modéliser le comportement électromagnétique du composant. La deuxième série de prototypes a été réalisée afin de valider la méthode d'optimisation. En perspective, les procédés de photolithographie de résine épaisse et le dépôt électrolytique sont en cours de développement pour réaliser les enroulements de cuivre épais autour des noyaux de ferrite optimisés et ainsi former le composant complet.

Abstract

On-chip inductors are key passive elements for future power supplies on chip (PwrSoC), which are expected to be compact and show enhanced performance: high efficiency and high power density. The objective of this thesis work is to study the material and technology to realize small size (<4 mm²) and low profile (< 250 μm) ferrite-based on-chip inductor. This component is dedicated to low power conversion (≈ 1 W) and should provide high inductance density and high quality factor at medium frequency range (5-10 MHz). Fully sintered NiZn ferrites are selected as soft magnetic materials for the inductor core because of their high resistivity and moderate permeability stable in the frequencies range of interest. Two techniques are developed for the ferrite cores: screen printing of in-house made ferrite powder and cutting of commercial ferrite films, followed in each case by sintering and pick-and place assembling to form the rectangular toroid inductor. Test inductors were realized first so that the characterization could be carried out to study the magnetic properties of the ferrite core and the volumetric core losses. The core losses were fit from the measured curve with Steinmetz equation to obtain analytical expressions of losses versus frequency and induction. The second phase of the thesis is the design optimization for the on-chip ferrite based inductor, taking into account the expected losses. Genetic algorithm is employed to optimize the inductor design with the objective function as minimum losses and satisfying the specification on the inductance values under weak current-bias condition. Finite element method for magnetics FEMM is used as a tool to calculate inductance and losses. The second run of prototypes was done to validate the optimization method. In perspective, processes of thick-photoresist photolithography and electroplating are being developed to realize the completed thick copper windings surrounding ferrite cores.

Mots-Clés / Keywords
Electromagnetic simulation; Ferrite; Integration; Micro inductor; Screen printing;

133965
14615
27/11/2014

Récupération d'énergie aéroacoustique et thermique pour capteurs sans fil embarqués sur avion

R.MONTHEARD

ESE

Doctorat : INSA de Toulouse, 27 Novembre 2014, 208p., Président: J.Y.FOURNIOLS, Rapporteurs: S.BASROUR, D.LECLERCQ, Examinateurs: R.M.SAUVAGE, Membres invités: E.PIOT, X.LAFONTAN, Directeurs de thèse: J.M.DILHAC, V.BOITIER , N° 14615

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01110385

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Abstract

This work adresses the issue of energy autonomy within wireless sensor networks embedded in aircrafts, which may be solved through ambient energy harvesting and storage. In a first study, we develop a demonstrator based on thermal gradients energy harvesting, which is designed to supply power to a structural health monitoring system implemented near the engine zone. Thereafter, we introduce a capacitive storage architecture which self-adapts to its own state of charge, aiming at improving its performance in terms of startup time, the energy utilization ratio and under some conditions, the energy transfer. Finally, we report the results of a prospective study on aeroacoustic energy harvesting applied to the relative wind. It is shown that this method exhibits an interesting potential in terms of generated power, then we introduce the design and the realization of an optimized energy management circuit, allowing our technique to supply power to a wireless temperature sensor.

Résumé

Ces travaux portent sur la question de l’autonomie énergétique des capteurs sans fil dans un contexte aéronautique, à laquelle la récupération et le stockage d’énergie ambiante sont susceptibles d’apporter une réponse. Nous étudions dans un premier temps la génération thermoélectrique, destinée à être appliquée au suivi du vieillissement structurel près de la zone moteur, et débouchant sur la réalisation d’un démonstrateur. Nous proposons ensuite une architecture de stockage capacitif qui, en s’adaptant à son état de charge, vise à améliorer la performance de cette solution de stockage en termes de temps de démarrage, de taux d’utilisation d’énergie et sous certaines conditions, de transfert d’énergie. Finalement, nous rapportons les résultats d’une étude prospective sur la récupération d’énergie du vent relatif grâce au phénomène aéroacoustique. Nous montrons que cette méthode présente un potentiel énergétique intéressant, puis nous présentons la conception et la réalisation d’un circuit optimisé de gestion de l’énergie, permettant d’alimenter grâce à cette technique un capteur sans fil de température.

Mots-Clés / Keywords
Récupération d’énergie; Gestion de l'énergie; Capteurs sans fil; Systèmes autonomes sans batterie; Energy harvesting; Energy management; Wireless sensor; Autonomous batteryless systems;

133936
14684
30/10/2014

Développement de filières technologiques pour la réalisation de micro-supercondensateurs intégrés sur silicium

T.T.MDINH

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 30 Octobre 2014, 169p., Président: P.SIMON, Rapporteurs: D.BELANGER, T.BROUSSE, Examinateurs: C.LETHIEN, Directeurs de thèse: M.BRUNET, D.PECH , N° 14684

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01150481

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Abstract

The recent advances in microelectronics have led, during the last decade, to the development of embedded systems, particularly wireless sensor networks. Many applications of these systems (industrial process optimization, traffic and environmental monitoring...) have attracted the attention of researchers and investors. One of the main challenges limiting the implementation of these wireless sensor networks remains the autonomy of energy. Harvesting micro-devices extracting renewable energy from various ambient environmental sources (thermal, mechanical, solar energy) have received in this sense an increasing research interest in recent years, with the objective to obtain autonomous self-powered systems. The harvested energy is usually stored in micro-batteries. However, these devices have low power, limited lifetime and restricted operation temperatures. The use of micro-supercapacitors, as an alternative or a complementary device to micro-batteries, could overcome these limitations. In this thesis, we have focused on the development of technological fields to realize on-chip micro-supercapacitors, with good properties in terms of power and energy density, operating voltage, size and lifetime. High resolution micro-supercapacitors with high performance have been obtained in this thesis. Innovative electrolytes as gels allowed to develop all-solid-state micro-devices, which can be produced on a large scale. Ultra-high specific capacitance has been also obtained by combining materials of high specific surface and materials of high specific capacitance within an electrode. Finally, asymmetric micro-supercapacitors have been developed for extending the potential window and, therefore, improving the energy density of the micro-devices.

Résumé

Les récents progrès de la micro-électronique ont permis, au cours de la dernière décennie, un développement des systèmes embarqués, particulièrement, les réseaux de capteurs autonomes sans fil. Les nombreuses applications qui en découlent (optimisation des procédés industriels, suivi de trafic, surveillance de l’environnement, de structures, médicale…) ont attiré, ces dernières années, l’attention des chercheurs et des investisseurs. L’un des principaux défis limitant la mise en oeuvre de ces réseaux de capteurs reste l’autonomie énergétique. Des solutions ont été proposées, notamment la récupération et le stockage de l’énergie présente dans l’environnement du capteur afin d’obtenir un système énergétiquement indépendant. Le stockage est actuellement principalement assuré par des micro-batteries. Ces dispositifs possèdent cependant une faible puissance, une durée de vie limitée et un domaine de fonctionnement en températures restreint. L’utilisation de micro-supercondensateurs, alternative ou complémentaire aux micro-batteries, permettrait de s’affranchir de ces limitations. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous nous sommes focalisés sur le développement de filières technologiques pour réaliser des micro-supercondensateurs intégrés sur silicium, possédant de bonnes performances en termes de densité de puissance et d’énergie, de tension d'utilisation, de taille et de durée de vie. Des micro-supercondensateurs performants et de forte résolution ont été obtenus au cours de cette thèse. Des électrolytes innovants sous forme de gels ont permis d’élaborer des micro-dispositifs tout solides, pouvant être produit à grande échelle. Des capacités spécifiques énormes ont par ailleurs été obtenues en combinant des matériaux de forte surface spécifique à des matériaux de forte capacité spécifique au sein d’une électrode. Enfin, des micro-supercondensateurs asymétriques ont été élaborés, permettant d’élargir la fenêtre de potentiel d’opération et, par conséquent, d’améliorer la densité d’énergie des micro-dispositifs.

Mots-Clés / Keywords
Matériaux énergétiques; Micro-supercapacitor; Nanotubes de carbone; Dépôt électrophorétique; Stockage de l'énergie;

134169
14239
07/02/2014

Architectures de cellules de commutation monolithiques intégrables sur semi-conducteurs "bi-puce" et "mono-puce" pour convertisseurs de puissance compacts

A.EL KHADIRY

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 7 Février 2014, 164p., Président: B.ALLARD, Rapporteurs: S.LEFEBVRE, D.PLANSON, Examinateurs: S.AZZOPARDI, P.AUSTIN, Directeurs de thèse: F.RICHARDEAU, A.BOURENANNE Thèse réalisée en co-direction avec le LAPLACE , N° 14239

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01020587

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Abstract

In the field of power hybrid integration, it is well known that wiring operation of power semiconductor devices is a source of strong parasitic electrical interactions between interconnections parasitic inductances, parasitic capacitances with respect to the ground plane, the power semiconductor devices themselves and the electronic control circuit. These interactions are a source of EMI on one hand and a factor limiting the performance and reducing the reliability of the power function on the other hand. Monolithic power integration is obviously the only approach to overcome some drawbacks of the hybrid integration. In this context, this thesis work studies the feasibility of a monolithic integration approach called “dual-chip”. This power integration approach deals with the integration of the generic power converter circuit (AC/DC or DC/AC for low and medium power applications) in two complementary multi-switch power chips: A common anode/back-side multi-switch chip, and a common cathode/front-side multi-switch chip. The study includes: modeling by 2D physical/electrical simulations of the proposed structures, validation of their operating modes, realization of the chips in the micro and nanotechnology platform of the LAAS, electrical characterization of the chips and finally a study of 2D and 3D association techniques of the realized chips on SMI/DBC substrate. The scientific perspectives of this work are based on a promising integration approach called “single-chip”. The resulting single-chip corresponds to the fusion of the two power chips used in the first approach and takes advantage of the conclusions made from their association techniques study.

Résumé

Dans le domaine de l'intégration hybride de puissance, l'opération de câblage des dispositifs semi-conducteurs de puissance est la cause de fortes interactions électriques parasites entre les inductances de connexion, les capacités parasites par rapport au plan de masse, les dispositifs de puissance eux même et leur électronique de commande rapprochée. Ces interactions constituent une source de pollution et d'auto-perturbation EMI d'une part et un facteur de limitation des performances et de la fiabilité d'autre part. La voie de l'intégration monolithique de puissance au sein d'un même cristal constitue une approche intéressante permettant de solutionner simultanément l'ensemble des problèmes induits par l'intégration hybride. Dans ce cadre, les travaux de cette thèse visent à étudier la faisabilité d’une approche d’intégration monolithique intermédiaire où une structure générique multiphasée est décomposée et intégrée sous la forme de deux macro-puces, chacune vient intégrer un réseau d'interrupteurs multiphasés partageant au moins une électrode commune. Chaque macro-puce est un "aiguilleur de courant" déclinée en deux versions : une version "high-side" à anode commune/face arrière de la macro-puce et une version "low-side" à cathode commune/face avant de la macro-puce. Ce mode d’intégration adresse des applications de conversion d’énergie de type DC/AC, AC/DC ou encore des interrupteurs de puissance quatre segments de faible et moyenne puissance. L’étude comporte : la modélisation par simulations physiques/électriques 2D de structures de puces proposées, la validation de la fonctionnalité recherchée sur le plan semi-conducteur (structure physique) et système (circuit électrique), la réalisation de puces "prototype" en salle blanche du LAAS puis les caractérisations préliminaires sous pointes et enfin l'étude de solutions d’assemblage 2D et 3D des puces réalisées sur substrat SMI/DBC constituant à terme des modules de puissance ultra compacts. Les perspectives scientifiques à ce travail reposent sur une approche d’intégration monolithique "ultime" des cellules de commutation au sein d'une seule puce. Cette approche reposerait sur la réunion et sur un agencement original des deux aiguilleurs initialement étudiés et profite des résultats de comparaison de leurs techniques d’assemblage.

Mots-Clés / Keywords
IGBT; Diode; Substrat DBC/SMI; Intégration monolithique; Cellule de commutation; Onduleur; Redresseur; Module de puissance; Convertisseur de puissance; Flip-chip; DBC/SMI substrate; RC-IGBT; Monolithic integration; Switching cell; Inverter; Rectifier; Power converter; Power module;

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