Conception microélectronique de circuits à femptoampères pour de capteurs alimentés par récupération d’énergie avec application à l’IoT

Description

Une ville intelligente (smart city) est une zone urbaine qui utilise les technologies de l’information et de la communication (TIC) pour améliorer la qualité des services urbains ou réduire leurs coûts. Il s’appuie sur un grand nombre de capteurs électroniques interconnectés via un grand réseau, à savoir, l’Internet des objets (IoT), qui collecte des données et fournit des informations pour gérer efficacement les ressources et les actifs. Les capteurs devant être autonomes et disponibles longtemps, l’utilisation de dispositifs basse tension et ultra basse consommation devient incontournable, indépendamment de la source d’alimentation d’énergie (par exemple sans batterie).

L’objectif de ce projet est de concevoir des circuits analogiques et numériques de base en technologie CMOS qui seront utilisés pour mettre en œuvre des capteurs autonomes alimentés par des techniques de récupération d’énergie. Dès que les faibles tensions d’alimentation et consommations de courant sont des contraintes incontournables pour cette application, les transistors MOS doivent nécessairement travailler en dessous de leur tension de seuil, polarisés par des courants de l’ordre du femtoampère.

Dans la première partie du projet, le chercheur sera engagé dans l’approfondissement de ses connaissances sur le transistor MOS fonctionnant dans la région sous-seuil (faible inversion). Cela facilitera par la suite la conception et la simulation de circuits de base, notamment : des amplificateurs, des circuits de tensions/courants de référence, des miroirs de courant, des transconducteurs, des oscillateurs, des filtres, des circuits logiques,…

La deuxième partie du travail consistera à fabriquer une puce de test contenant un ou plusieurs des briques élémentaires ci-dessus en utilisant une technologie nanométrique CMOS, qui donne accès à la réalisation de circuits à hautes performances pouvant contester l’état de la art publié dans des articles récents de l’IEEE.Les circuits de base ciblés ci-dessus feront partie d’une bibliothèque et seront utilisés à l’avenir pour des applications plus complexes telles que : des interfaces de lecture de capteurs, des convertisseurs DCDC alimentés par récupération d’énergie, des circuits pour l’électronique portable, des réseaux de capteurs corporels sans fil…

Compétences requises :

-Ce projet nécessite un étudiant désireux d’approfondir ses connaissances sur la microélectronique et l’électronique appliquées aux circuits très basse puissance et basse tension.
-Connaissances générales sur l’électronique analogique et numérique, en particulier sur le transistor MOS.
-Connaissance des outils de simulation et CAO de circuits électroniques (SPICE, LTspice, Cadence).

Bibliographie
[1] Bernabé Linares-Barranco et Teresa Serrano-Gotarredona, « Sur la conception et la caractérisation des circuits en mode courant femtoampère », IEEE JSSC, VOL. 38, n° 8, p. 1353-1363, 2003
[2] Bender Machado et Márcio Cherem Schneider, ‘’On the Minimum Supply Voltage for MOSFET Oscillators’’, IEEE TCAS I regular papers, 2014
[3] R. J. M. Vullers, R. van Schaijk, H. J. Visser, J. Penders et C. Van Hoof, « Récolte d’énergie pour les réseaux de capteurs sans fil autonomes », IEEE Solid-State Circuits Mag., vol. 2, non. 2, p. 29-38, juin 2010, doi : 10.1109/MSSC.2010.93666