Energy Autonomous Micro and Nano Systems

382 Pages·2012·12.92 MB·English

EnergyAutonomousMicroand NanoSystems
Energy Autonomous
Micro and Nano Systems
Edited by
Marc Belleville
Cyril Condemine
Firstpublished2012inGreatBritainandtheUnitedStatesbyISTELtdandJohnWiley&Sons,Inc.
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____________________________________________________________________________________
LibraryofCongressCataloging-in-PublicationData
Energyautonomousmicroandnanosystems/editedbyMarcBelleville,CyrilCondemine.
p.cm.
Includesbibliographicalreferencesandindex.
ISBN978-1-84821-357-9
1. Electricpowersuppliestoapparatus.2. Lowvoltagesystems.3. Directenergyconversion.4.
Energyconservation--Equipmentandsupplies.5. Nanoelectromechanicalsystems. I.Belleville,Marc.
II.Condemine,Cyril.
TK2896.E472012
620'.5--dc23
2012012115
BritishLibraryCataloguing-in-PublicationData
ACIPrecordforthisbookisavailablefromtheBritishLibrary
ISBN:978-1-84821-357-9
PrintedandboundinGreatBritainbyCPIGroup(UK)Ltd.,Croydon,SurreyCR04YY
Table of Contents
Introduction.IntroductiontoEnergyAutonomousMicro
andNanoSystemsandPresentationofContributions . . . . . xiii
MarcBELLEVILLEandCyrilCONDEMINE
I.1.Contextofenergy-autonomoussystemsand
micro-nanosystems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
I.2.Sampleapplications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi
I.3.Energyharvesting,storageandconversion . . . . . . . . . . xvii
I.4.Dataacquisition,processingandtransmission. . . . . . . . xviii
I.5.Energymanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
I.6.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xx
Chapter1.SensorsattheCoreofBuildingControl . . . . . . . 1
GillesCHABANIS,LaurentCHIESI,HynekRAISIGEL,
IsabelleRESSEJACandVéroniqueBOUTIN
1.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.Sensorsinbuildings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3.Newsensorneeds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.1.Perceivedcomfortandairquality . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.2.Sensorsinbuildings:towardnewneeds . . . . . . . . . 8
1.4.Anexample:theHOMEScomfortsensorprototype. . . . 10
1.4.1.Sensitiveparts:themeasurement . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.2.Communicationandnetworkoperation . . . . . . . . . 11
1.4.3.Energyrecovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.4.Energystorageandmanagement. . . . . . . . . . . . . . 15
vi EnergyAutonomousMicroandNanoSystems
1.4.5.AutonomousHOMESmulti-sensor
performances. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5.Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.6.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Chapter2.TowardEnergyAutonomous
MedicalImplants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
RaymondCAMPAGNOLOandDanielKROISS
2.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.Currentandpotentialapplications. . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.1.Heartstimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2.Implantablecardioverter-defibrillator . . . . . . . . . . 37
2.2.3.Implantablecardiacmonitor . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.4.Implantableneurostimulator . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.5.Implantablevagusnervestimulator. . . . . . . . . . . . 44
2.2.6.Implantablesacralnervestimulator. . . . . . . . . . . . 47
2.2.7.Implantablespinalcordstimulator . . . . . . . . . . . . 48
2.2.8.Cochlearimplant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2.9.Implantablepumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Chapter3.EnergyAutonomousSystemsinAeronautic
Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
ThomasBECKER,JirkaKLAUEandMartinKLUGE
3.1.Motivation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1.1.Futureapplicationsforenergyautonomoussystems
inaeronautics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2.Wirelesssystems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.1.Mediumaccessschemes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.2.Wirelesssensornetworkstandards . . . . . . . . . . . . 63
3.2.3.Availablehardwareforwirelesssensornetworks. . . 64
3.2.4.Energyconsumptionlimitations. . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.5.Networkarchitecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.Autonomoussystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.1.Targetingamaintenance-freeoperation. . . . . . . . . 71
3.3.2.Energyharvestinginaeronauticenvironments. . . . . 71
3.4.Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.5.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
TableofContents vii
Chapter4.EnergyHarvestingbyPhotovoltaicEffect. . . . . . 83
EmmanuelleROUVIÈRE,SimonPERRAUD,CyrilCONDEMINEand
GuyWALTISPERGER
4.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.Lightpoweravailableindoorsandoutdoors . . . . . . . . . 84
4.2.1.Irradianceandilluminance . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.2.Lightpoweravailableoutdoors. . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2.3.Lightpoweravailableindoors . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.2.4.Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.Photovoltaiccell:physicalprincipleandmodel. . . . . . . 88
4.3.1.Physicalprinciple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3.2.Current–voltagecharacteristics. . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3.3.Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4.Comparisonbetweenvariousphotovoltaiccell
technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.5.Electronicmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.5.1.Cellusesandlimitations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.5.2.ThevariouspossibleMPPTsolutions. . . . . . . . . . . 101
4.5.3.ApplyingMPPTtoautonomousmicrosystems. . . . . 107
4.6.Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.7.Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Chapter5.MechanicalEnergyHarvesting . . . . . . . . . . . . . 115
GhislainDESPESSE,JeanJacquesCHAILLOUT,
SébastienBOISSEAUandClaireJEAN-MISTRAL
5.1.Energy-harvestinganalysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.2.Mainsourcesandconversionprinciplesof
mechanicalenergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2.1.Sources. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2.2.Exploitablephysicalprinciples. . . . . . . . . . . . . . . 117
5.3.Harvestingmechanicalenergyfromvibrations . . . . . . . 122
5.3.1.Mechanicalmodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.3.2.Piezoelectricstructures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.3.3.Electromagneticstructures. . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.3.4.Electrostaticstructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.3.5.Improvingelectrostaticsystems:hybriddevices. . . . 132
5.3.6.Conclusionsandperspectivesonvibrationenergy
harvesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.4.Mechanicalenergyharvestingfrom
forces/deformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
viii EnergyAutonomousMicroandNanoSystems
5.4.1.Definitionandclassificationofelectroactive
polymers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.4.2.Currentconclusionsandfuturedevelopments . . . . . 141
5.5.Conclusionsandperspectivesonmechanical
energyharvesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.6.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Chapter6.ThermalEnergyHarvesting. . . . . . . . . . . . . . . 153
TristanCAROFF,EmmanuelleROUVIÈREandJérômeWILLEMIN
6.1.Generalpresentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.2.Energyharvestingbythermoelectriceffect . . . . . . . . . 154
6.2.1.PhysicalprincipleoftheSeebeckeffect. . . . . . . . . 154
6.2.2.Energeticefficiencyofathermoelectricdevice . . . . 154
6.2.3.Maximumelectricenergyharvestedbya
thermogenerator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.3.Thermoelectricmaterials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.4.Technologicaltrends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.4.1.Evolutionofthermoelectricmaterials . . . . . . . . . . 162
6.4.2.Producingthermoelectricmodulefor
energyharvesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
6.4.3.Examplesofmicrosystemsusedtoharvest
thermalenergy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.5.Implementationconstraintsandoptimization. . . . . . . . 167
6.5.1.Thermalconstraints. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.5.2.Electricconstraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.5.3.OptimizingTEGgeometryforautonomous
devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.6.Electronicmanagementofautonomousthermoelectric
systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.6.1.Step-upconverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.6.2.Maximumenergyextraction:theneedforan
adaptationoftheDC/DCconverter. . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.7.Conclusionsonthermalenergy-harvestingsystems. . . . 182
6.8.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Chapter7.LithiumMicro-Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
RaphaëlSALOT
7.1.Developmentoflithiumbatteriesover20years . . . . . . 186
7.1.1.Alternativematerialsforthepositiveelectrode . . . . 188
7.1.2.Alternativematerialsforthenegativeelectrode. . . . 190
TableofContents ix
7.1.3.Alternativematerialsfortheelectrolyte . . . . . . . . . 190
7.1.4.Positioningofdifferentcategories. . . . . . . . . . . . . 191
7.2.Thelithiumsystemaimingforstrong
miniaturizationproperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.2.1.Lithiummini-batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7.2.2.Lithiummicro-batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
7.3.Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Chapter8.Ultra-Low-PowerSensors. . . . . . . . . . . . . . . . . 207
PascalNOUET,NorbertDUMAS,LaurentLATORREand
FrédérickMAILLY
8.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
8.2.Overviewofsensorsandtheirproximityelectronics. . . . 208
8.2.1.Powerconsumptionofpassivesensors. . . . . . . . . . 208
8.2.2.Intrinsicresolutionofaresistivesensor . . . . . . . . . 210
8.2.3.Intrinsicresolutionofacapacitivesensor . . . . . . . . 210
8.2.4.Comparativestudyofdifferenttransduction
modes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
8.2.5.Front-endelectronicsperformancecriteria . . . . . . . 212
8.3.Capacitivesensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
8.3.1.Generalconsiderationsaboutcapacitivesensors. . . . 213
8.3.2.Continuous-timeinterfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
8.3.3.Discrete-timeinterfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
8.4.Resistivesensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
8.5.Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
8.6.Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Chapter9.Ultra-Low-PowerSignalProcessingin
AutonomousSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
ChristianPIGUET
9.1.Low-powerconsumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
9.2.Digitalsignalprocessors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
9.2.1.Digitalsignalprocessors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
9.2.2.WhyDSParedifferent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
9.2.3.Low-powerDSPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
9.3.Decreasingstaticpowerconsumption . . . . . . . . . . . . . 254
9.3.1.Decreasingstaticpowerconsumptionatthe
circuitlevel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
9.3.2.Decreasingstaticpowerconsumptionatthe
logicgatelevel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
x EnergyAutonomousMicroandNanoSystems
9.3.3.Reductioninstaticconsumptionatthe
architecturelevel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
9.3.4.Subthresholdlogic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
9.4.Asynchronousarchitectures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
9.5.Errortolerance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
9.5.1.Errordetection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
9.5.2.ProbabilisticCMOSlogic. . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
9.6.Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
9.7.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Chapter10.Ultra-Low-PowerRadioFrequency
CommunicationsandProtocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
EricMERCIER
10.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
10.2.Radiofrequencyandassociatedrestrictions . . . . . . . . 274
10.3.Communicationstandardsandprotocols . . . . . . . . . . 279
10.3.1.Homeautomationnetwork . . . . . . . . . . . . . . . . 282
10.3.2.Bodyareanetwork(BAN) . . . . . . . . . . . . . . . . 286
10.3.3.Hybridnetworksandfuturesolutions . . . . . . . . . 287
10.4.Componentsandsolutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
10.4.1.Availableoff-the-shelfsolutions. . . . . . . . . . . . . 290
10.4.2.Advancedsolutions–researchtopics. . . . . . . . . . 293
10.5.Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
10.6.Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Chapter11.EnergyManagementinanAutonomous
Microsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Jean-FrédéricCHRISTMANN,EdithBEIGNE,CyrilCONDEMINE,
JérômeWILLEMINandChristianPIGUET
11.1.Wirelesssensornodes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
11.2.Powersuppliedbyenergyrecuperators. . . . . . . . . . . 306
11.3.Distribution,conversionandenergystorage
architectures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
11.3.1.Basicarchitectures:towardtheserial
architecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
11.3.2.Advancedarchitectures:parallelizationof
powerpaths. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
11.4.Implementingregulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
11.5.Algorithms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
TableofContents xi
11.6.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
11.7.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
Chapter12.OptimizingEnergyEfficiencyof
SensorNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
OlivierSENTIEYSandOlivierBERDER
12.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
12.2.Optimizationmethodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
12.3.Energyconsumptionmodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
12.4.Hardwareoptimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
12.4.1.Architectureofasensornode . . . . . . . . . . . . . . . 332
12.4.2.PowWowplatform. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
12.4.3.Usingareconfigurablecoprocessor . . . . . . . . . . . 335
12.4.4.Dynamicmanagementofvoltageand
frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
12.4.5.Reducingconsumptionbypowergating
andspecialization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
12.5.Softwareorganizationandefficientprotocols . . . . . . . 343
12.5.1.Minimalistoperatingsystems. . . . . . . . . . . . . . . 343
12.5.2.Mediumaccessprotocols. . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
12.6.Optimizingenergyofalgorithms . . . . . . . . . . . . . . . 346
12.6.1.Adaptationtothewake-upinterval . . . . . . . . . . . 346
12.6.2.Usingerrorcorrectingcodes. . . . . . . . . . . . . . . . 348
12.6.3.Cooperativestrategies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
12.7.Conclusionandperspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
12.8.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
ListofAuthors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365