Composants passifs intégrés dédiés à la conversion et au stockage de l'énergie
Résumé
The work deals with the integration of passive components for the conversion and storage of energy in the general context of portable electronic devices. The development of micro-electronics lead to the miniaturization of electronic circuits, pushing the expansion of portable electronic devices usage (smart phones, tablets, digital cameras pictures ... etc) and the emergence of networks of communicating sensors for ambient intelligence. One of the challenges of the coming years is to meet the ever-increasing number of functionalities and provide energy autonomy for these different objects. Miniaturization and 3D heterogeneous integration approach are solutions to overcome the technological barriers and address these issues. In power circuits providing conversion and energy management, the size of converters is defined by the size of passive elements. I will present the work carried out since 2005 at LAAS-CNRS for the integration of passive components (coils, capacitors) on silicon dedicated to energy management circuits. The work focuses on the design, development of topologies and technologies for micro-coils (L) and integrated capacitors (C). For highdensity capacitors (above 500 nF.mm-2), silicon etching technologies were explored associated with the synthesis of high-k materials. Regarding micro-coils, to reach specifications defined by low power converters, developments mainly concern the integration of magnetic core and technologies for depositing thick insulation and metal layers. In the long term, to produce power supply on-chip, stacking of multi-functional chips are desired. We will show some ways of integration: passive chip, or passive-active co-integration. In a second part, we will discuss the energy autonomy of microsystems (sensors or other). Many research has emerged since the early 2000s around microsystems harvesting ambient energy: solar, thermal, mechanical, acoustic. Since the harvested energy is intermittent, there is the need for a buffer energy storage. In this case, the best solution is to use a supercapacitor storage element which has almost unlimited lifetime. I will present the research activities related to the integration of micro-supercapacitors on silicon. The first devices based on activated carbon and other nanostructured carbons showed very interesting performance: 250 mJ.cm-2 in energy and 200 mW.cm-2 in power respectively. Finally, research perspectives will be proposed and discussed.
Les travaux présentés traitent de l'intégration des composants passifs pour la conversion et le stockage de l'énergie dans un contexte général de l'électronique nomade. Le développement de la micro-électronique conduisant à la miniaturisation des circuits électroniques a permis le boom de l'électronique nomade (smart phones, tablettes, appareils photos numériques, etc.) et l'émergence des réseaux de capteurs communicants (intelligence ambiante). Les enjeux des années à venir sont : toujours plus de fonctionnalités et l'augmentation de l'autonomie énergétique de ces différents objets. La miniaturisation et l'approche de l'intégration hétérogène 3D font partie des solutions pour lever les verrous technologiques associés à ces défis. Concernant les circuits de puissance assurant la conversion et la gestion de l'énergie, la taille des convertisseurs est définie par l'encombrement des éléments passifs les constituant. Je présenterai les travaux réalisés depuis 2005 au LAAS-CNRS permettant l'intégration sur silicium de composants passifs (bobines, condensateurs) pour ces systèmes de gestion de l'énergie. Les travaux sont axés sur la conception, le développement des topologies et des filières technologiques pour micro-bobines (L) et condensateurs intégrés (C). Ainsi, pour des condensateurs à forte densité (au-delà des 500 nF.mm-2), les technologies de gravure du silicium ont été explorées associées à la synthèse et la caractérisation de matériaux à forte permittivité diélectrique. En ce qui concerne les micro-bobines, pour répondre au cahier des charges des convertisseurs fonctionnant autour du watt, les développements se concentrent sur l'intégration du noyau magnétique ainsi que les technologies de dépôts épais d'isolants et de métaux. A long terme, pour produire des alimentations toutes intégrées sur puce, l'intégration et l'empilement de puces multi-fonctionnelles sont à concevoir. Nous montrerons quelques pistes d'intégration : puce passive (contenant bobine et condensateur sur le même substrat), ou co-intégration passif-actifs au sein de la filière d'intégration fonctionnelle. Dans un deuxième volet, nous aborderons la thématique de l'autonomie énergétique des microsystèmes (capteurs ou autre). De nombreux travaux de recherche ont émergé depuis le début des années 2000 sur les microsystèmes de récupération de l'énergie ambiante : solaire, thermique, mécanique, acoustique. Etant donné la nécessité d'un stockage tampon de l'énergie récupérée, la solution la plus pertinente est d'utiliser un supercondensateur, élément de stockage présentant des durées de vie quasi-illimitées. Je présenterai les activités de recherche liées à l'intégration de micro-supercondensateurs sur silicium. Les premiers dispositifs à base de charbon actif et autres carbones nanostructurés ont montré des performances intéressantes : près de 250 mJ.cm-2 d'énergie et 200 mW.cm-2 de puissance. Finalement, les perspectives de recherche sur ces thématiques seront proposées et discutées.
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