Une innovation technologique développée par une équipe singapourienne pourrait transformer la manière dont les petits appareils électroniques sont alimentés. En convertissant les signaux radiofréquence (RF) ambiants en tension continue (DC), ce prototype de module de récupération d’énergie ouvre de nouvelles possibilités pour l’électronique sans fil.
Les technologies sans fil omniprésentes comme le Wi-Fi, le Bluetooth et la 5G reposent sur des signaux RF pour transmettre et recevoir des données. Un nouveau prototype de module de récupération d’énergie, mis au point par une équipe dirigée par des scientifiques de l’Université nationale de Singapour, peut désormais convertir ces signaux RF ambiants en tension continue. Cette innovation permet d’alimenter de petits appareils électroniques sans utiliser de batteries.
La récupération d’énergie RF est cruciale car elle réduit la dépendance aux batteries, prolonge la durée de vie des appareils, minimise l’impact environnemental et améliore la faisabilité des réseaux de capteurs sans fil et des dispositifs IoT dans des zones éloignées où le remplacement fréquent des batteries est impraticable.
Défis et solutions en récupération d’énergie RF
Les technologies de récupération d’énergie RF rencontrent des défis en raison de la faible puissance des signaux RF ambiants (généralement inférieure à -20 dBm), où la technologie actuelle des redresseurs échoue ou présente une faible efficacité de conversion RF-DC. Bien que l’amélioration de l’efficacité des antennes et de l’adaptation d’impédance puisse améliorer les performances, cela augmente également la taille des puces, posant des obstacles à l’intégration et à la miniaturisation.
Pour surmonter ces défis, une équipe de chercheurs de la NUS, en collaboration avec des scientifiques de l’Université de Tohoku (TU) au Japon et de l’Université de Messine (UNIME) en Italie, a développé une technologie de redresseur compacte et sensible utilisant des redresseurs à spin nanométriques (SR) pour convertir les signaux RF ambiants à une puissance inférieure à -20 dBm en tension continue.
Optimisation et intégration des dispositifs SR
L’équipe a optimisé les dispositifs SR et conçu deux configurations : un rectenna basé sur un seul SR fonctionnant entre -62 dBm et -20 dBm, et une série de 10 SR atteignant une efficacité de 7,8 % et une sensibilité sans polarisation d’environ 34 500 mV/mW. En intégrant la série SR dans un module de récupération d’énergie, ils ont réussi à alimenter un capteur de température commercial à -27 dBm.
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Le professeur Yang Hyunsoo, du Département de génie électrique et informatique de la NUS, a expliqué : « La récupération des signaux électromagnétiques RF ambiants est cruciale pour l’avancement des dispositifs électroniques et des capteurs économes en énergie. Cependant, les modules de récupération d’énergie existants rencontrent des difficultés à fonctionner à faible puissance ambiante en raison des limitations de la technologie des redresseurs actuels. »
Technologie SR pour une opération à faible puissance
Les redresseurs de pointe (diodes Schottky, diodes tunnel et MoS2 bidimensionnel) ont atteint des efficacités de 40 à 70 % à Prf ≥ -10 dBm. Cependant, la puissance RF ambiante disponible à partir de sources RF telles que les routeurs Wi-Fi est inférieure à -20 dBm. Développer des redresseurs à haute efficacité pour les régimes de faible puissance (Prf < -20 dBm) est difficile en raison des contraintes thermodynamiques et des effets parasites à haute fréquence.
Les redresseurs à spin nanométriques peuvent convertir le signal RF en tension continue en utilisant l’effet diode à spin. Bien que la technologie SR ait surpassé la sensibilité des diodes Schottky, l’efficacité à faible puissance reste faible (< 1 %). Pour surmonter ces limitations, l’équipe de recherche a étudié les propriétés intrinsèques des SR, y compris l’anisotropie perpendiculaire, la géométrie du dispositif et le champ dipolaire de la couche polariseuse, ainsi que la réponse dynamique, qui dépend de la magnétorésistance tunnel sans champ et de l’anisotropie magnétique contrôlée par tension (VCMA).
Prochaines étapes
L’équipe de recherche de la NUS explore maintenant l’intégration d’une antenne sur puce pour améliorer l’efficacité et la compacité des technologies SR. L’équipe développe également des connexions en série-parallèle pour ajuster l’impédance dans de grandes séries de SR, en utilisant des interconnexions sur puce pour connecter les SR individuels. Cette approche vise à améliorer la récupération de la puissance RF, générant potentiellement une tension redressée significative de quelques volts, éliminant ainsi le besoin d’un booster DC-DC.
