Des micro-capteurs fonctionnant à l’énergie solaire
De minuscules cellules solaires, appliquées directement sur une puce de silicium, pourraient à l’avenir fournir en électricité les réseaux de capteurs sans fil de façon efficace et fiable. Ceci rendrait en particulier plus faciles les applications à grande échelle, comme dans l’agriculture.
Les réseaux de capteurs, dont les différents modules communiquent sans fil les uns avec les autres, sont capables de mesurer des paramètres sur de grandes surfaces dans leur environnement et de transmettre ces données à une station centrale de télésurveillance. Ceci les rend appropriés pour diverses applications, de la sécurité incendie à la surveillance de grandes superficies dans l’agriculture. Le point faible pour de telles applications reste l’alimentation énergétique des différents capteurs. La fourniture de câblages reste aujourd’hui encore très rare, du fait de la complexité des installations. En outre, il est essentiel pour de nombreuses applications que le réseau de capteurs puisse être intégré discrètement dans l’environnement sans dommage esthétique – tels que les systèmes de contrôle de fenêtres dans les bâtiments dits « intelligents ». En cas de fonctionnement avec des piles, même si aucun câble ne perturbe l’environnement, un entretien considérable est requis pour les changements réguliers de piles, en particulier pour les grands réseaux.
Des chercheurs de l’Institut Fraunhofer pour les circuits et systèmes microélectroniques (IMS) de Duisburg (Rhénanie du Nord-Westphalie) ont développé une alternative : le dispositif SOLCHIP, alimenté par énergie solaire. « Nous plaçons une cellule photovoltaïque miniature directement sur la puce de silicium d’un micro-capteur, grâce à un procédé spécial par étapes », explique Andreas Goehlich, qui dirige le projet à l’IMS. En effet, les ASIC (Application Specific Integrated Circuits), terme désignant les cellules photovoltaïques intégrées placées sur la puce de silicium, ne doivent pas être endommagés par des étapes de traitement ultérieures. Les ASIC, circuits électroniques faits pour des applications spécifiques, ne permettent que les fonctions spécifiques en question. Ils sont fabriqués sur un morceau de silicium en plusieurs étapes de traitement, telles que l’implantation d’ions, l’oxydation ou le dépôt de métal. « Les structures des ASIC sont très sensibles, ce qui rend le traitement ultérieur extrêmement délicat », explique M. Goehlich. « Nous utilisons donc une technologie de procédé « douce » spécialement développée, qui a déjà fait ses preuves dans une grande variété d’ASIC « .
Avec les mini-cellules solaires, les chercheurs de Duisburg s’appuient sur une méthode qui s’établit de plus en plus, en particulier dans la gamme de faible puissance : la « récupération d’énergie ». Il s’agit d’utiliser les ressources de la zone immédiate autour du capteur pour produire de petites quantités d’électricité. Les capteurs sont donc leurs propres petites centrales et deviennent indépendants des sources d’énergie externes. Les gradients thermiques et les vibrations peuvent également être utilisés comme ressources énergétiques. Par rapport à ces solutions, M. Goehlich voit certains avantages pour les cellules solaires : « la lumière est à peu près constante sur une longue période de temps, et ne subit pas d’aussi fortes fluctuations que ce qui est le cas pour les autres ressources. » Autre avantage : l’énergie solaire est relativement facile à convertir en électricité.
Actuellement, les travaux de développement se concentrent principalement sur l’application à l’agriculture. Comme de petites « poussières intelligentes », les réseaux de capteurs sans fil autoalimentés pourraient être, par exemple, répartis sur de grandes surfaces cultivées. Ces petits capteurs intelligents mesureraient par exemple l’humidité du sol ou le rayonnement solaire, et enverraient les données à une interface centrale. L’agriculteur pourrait alors, sur la base des résultats de mesure, adapter par exemple son irrigation ou encore en déduire le rendement de la prochaine récolte. La technologie est prête; SOLCHIP Ltd prend désormais en charge le marketing.
Pour en savoir plus, contacts :
Dr. Andreas Goehlich, chef du projet sur le dispositif SOLCHIP à l’Institut Fraunhofer pour les circuits et systèmes microélectroniques (IMS) – tél. : +49 203 3783-129 – email : andreas.goehlich@ims.fraunhofer.de
Sources :
« Sonnenkraft für Sensorknoten », communiqué de presse de la Société Fraunhofer – 02/09/2013 – http://redirectix.bulletins-electroniques.com/yKSDB
Rédacteurs :
Hélène Benveniste, helene.benveniste@diplomatie.gouv.fr – https://www.science-allemagne.fr/