Characterizations and evolutions of RF energy harvesting structures on Si and SOI substrates : application to manage microwatt energy systems
Caractérisations et évolutions des structures de collecte d’énergie RF sur substrats Si et SOI : application à la gestion d’énergie des systèmes microwatts
Résumé
Advances in microelectronics and integrated technologies have allowed the evolution and growth of the world of nomad connected objects. However, these wireless devices require power and involve notions of maintenance, access and autonomy. Thus, with the aim of contributing to making these devices totally autonomous, this thesis proposes the study of a circuit participating in the supply of these connected objects using integrated technologies and RF Energy Harvesting at 2.45 GHz. We will study and compare two integrated technologies: a more recent one, the FDSOI 28 nm and the other more known and standard, the BULK 350 nm. To achieve a power supply function, we will combine an RF to DC energy rectifier circuit with a voltage boost circuit known as a charge pump. The use of FDSOI technology will allow us to use the advantage of substrate biasing, allowing additional gain in voltage rectification performance. This will allow us to respond to the problem: do the new integrated technologies make it possible to create sufficiently high-performance circuits toparticipate in the supply of wireless sensors thanks to RF Energy Harvesting? Firstly, our simulation work shows that the FDSOI technology thanks to the polarization of the substrate makes it possible to obtain better threshold voltages for its transistors and thus increase the voltage produced in rectification (transistor mounted as a diode). Second, we dimensioned our circuits using a method of parametric analysis. Finally, after taking into account the parasites resulting from post-layout simulations, we produced two sets of chips in each technology. Theresults of the simulations and measurements show that it is quite possible to contribute to the power supply of a sensor such as the TelosB in its standby phase by using RF energy recovery and our proposed rectifier circuits. However, the assembly of the different circuits has not been approached in this thesis and constitutes a line of thought for future work as well as the possibility of coupling the RF energy used to supply information.
Les avancées en micro-électronique et technologies intégrées ont permis l’évolution et l’accroissement du monde des objets connectés nomades. Cependant, ces appareils sans-fil nécessitent d’être alimentés et font intervenir des notions de maintenance, d’accès et d’autonomie. Ainsi, dans le but de rendre ces dispositifs totalement autonomes, cette thèse propose l’étude d’un circuit participant à l’alimentation de ces objets connectés en utilisant les technologies intégrées avec comme source la récupération d’énergie radiofréquence (RF) à 2,45 GHz. La confrontation entre deux technologies intégrées est présentée : une plus récente la FDSOI 28 nm et l’autre plus connue et standard, la BULK 350 nm. Pour réaliser la fonction d’alimentation, un circuit de redressement d’énergie RF (rectenna) est associé à un circuit élévateur de tension connu sous le nom de pompe de charge. La polarisation du substrat en technologie FDSOI montre qu’une amélioration des performances de redressement est envisageable. Cela permet de répondre à la problématique : les nouvelles technologies intégrées permettent-elles de réaliser des circuits suffisamment performants pour participer à l’alimentation des capteurs sans-fil grâce à la collecte d’énergie RF ? En premier lieu, nos travaux de simulations mettent en évidence le fait que la technologie FDSOI grâce à la polarisation du substrat rend possible la diminution de la tension de seuil du transistor et donc l’augmentation de la tension de sortie du redresseur (transistor monté en diode). En second lieu, les circuits sont dimensionnés en utilisant une méthode de simulations paramétriques à plusieurs variables. Enfin, après prise en compte des parasites issus de simulations post-layout, deux jeux de puces dans chaque technologie sont réalisés. Les résultats de simulation et mesure indiquent que la méthodologie adoptée contribue à l’alimentation d’un capteur tel que le TelosB dans sa phase de veille en utilisant la récupération d’énergie RF et les topologies de circuits proposés. Toutefois, l’assemblage des différents circuits n’a pas été abordé dans cette thèse et constitue une piste de réflexion pour les travaux futurs de même manière que pouvoir coupler l’énergie RF servant à l’alimentation à de l’information.
Origine : Version validée par le jury (STAR)