Ultrahigh-power micrometre-sized supercapacitors based on onion-like carbon

Electrochemical capacitors, also called supercapacitors, store energy in two closely spaced layers with opposing charges, and are used to power hybrid electric vehicles, portable electronic equipment and other devices¹. By offering fast charging and discharging rates, and the ability to sustain millions of ²⁻⁵, electrochemical capacitors bridge the gap between batteries, which offer high energy densities but are slow, and conventional electrolytic capacitors, which are fast but have low energy densities. Here, we demonstrate microsupercapacitors with powers per volume that are comparable to electrolytic capacitors, capacitances that are four orders of magnitude higher, and energies per volume that are an order of magnitude higher. We also measured discharge rates of up to 200 V s⁻¹, which is three orders of magnitude higher than conventional supercapacitors. The microsupercapacitors are produced by the electrophoretic deposition of a several micrometre-thick layer of nanostructured carbon onions⁶‚⁷ with diameters of 6-7 nm. Integration of these nanoparticles in a microdevice with a high surface-to-volume ratio, without the use of organic binders and polymer separators, improves performance because of the ease with which ions can access the active material. Increasing the energy density and discharge rates of supercapacitors will enable them to compete with batteries and conventional electrolytic capacitors in a number of applications

Vers l'autonomie énergétique des réseaux de capteurs embarqués : conception et intégration d'un générateur piézoélectrique et d'un micro dispositif de stockage capacitif en technologie silicium

Wireless sensor networks offer very interesting possibilities for structural health monitoring, especially on aircrafts. However the sensors in these networks only have limited onboard energy resources, which is a severe restriction to their autonomy over a wide lifespan. As electronic and sensors power consumption reduces, a possible ? and explored by many research teams for the last decade ? solution is to harvest energy from the immediate environment of the microsystem, to store it and use it when needed to supply the sensor and electronics. In this thesis we propose to harvest energy from engine vibrations on an aircraft structure to supply a structure health monitoring sensor. Our contribution lies in the conception and integration on Silicon of a miniature piezoelectric harvester and capacitive charge storage device. As for the piezoelectric harvester, a proposed finite elements analysis coupled with a SPICE description of the charge circuit enabled the design of an optimized device, which is made of 4 monomorphic cantilevers (Si/PZT) that can generate > ?W power and > V voltage despite low power incoming vibrations (0.1 to 0.5g @ 40-80 Hz). This device has been fabricated on a silicon wafer using standard MEMS technologies and femtosecond LASER etching of the cantilevers. The charge storage device, designed and integrated onto silicon, is an electrochemical double layer capacitor. Development of the geometry of the electrodes, the active material deposition and hermetic wafer level sealing under water-free atmosphere of the component have been led. A VHDL-AMS model of both micro-devices (harvester and charge storage) is proposed and systems simulations over simple use cases are compared to the experiment.Les réseaux de capteurs communiquant sans fil offrent des possibilités extrêmement intéressantes pour l'application de surveillance de santé de structures, et particulièrement dans le secteur aéronautique. Cependant les capteurs qui constituent chaque noeud du réseau ne disposent pas de ressources énergétiques permanentes et leur autonomie énergétique sur de longues périodes est un problème. Avec la réduction de la consommation des composants électroniques et des capteurs, une solution possible et explorée depuis une dizaine d'années par nombreuses équipes consiste à récupérer l'énergie disponible dans son environnement, de la stocker et la gérer pour alimenter le capteur. Nous proposons dans cette thèse d'exploiter le potentiel énergétique des vibrations mécaniques d'une structure aéronautique pour alimenter un capteur de surveillance de santé de structure aéronautique. Notre contribution porte sur la conception et l'intégration sur silicium d'un générateur piézoélectrique miniature et d'un micro dispositif de stockage capacitif. Concernant le générateur piézoélectrique, l'élaboration d'un modèle à éléments finis (COMSOL) couplées avec une description SPICE du circuit de charge, a permis de concevoir - une structure optimisée consistant en 4 poutres monomorphes (Si/PZT) capable de générer des puissance électrique > ?W et des tension > V en dépit de puissance mécaniques incidentes faibles : vibrations de 0,1g-0,5g @40-80 Hz. Ce dispositif a ensuite été réalisé sur silicium à l'aide de technologies MEMS et de l'usinage laser femtoseconde. Le dispositif de stockage conçu et intégré sur silicium est un condensateur à double couche électrochimique. Les différentes briques technologiques développées concernent l'optimisation des géométries d'électrodes, le dépôt de la matière active et l'encapsulation hermétique de l'électrolyte organique en atmosphère anhydre. Un modèle VHDL-AMS des deux éléments (récupérateur et stockage) réalisés est proposé et une simulation du systè me sur un cas d'utilisation simple est comparée à l'expérience

Vers l'autonomie énergétique des réseaux de capteurs embarqués : conception et intégration d'un générateur piézoélectrique et d'un micro dispositif de stockage capacitif en technologie silicium

Wireless sensor networks offer very interesting possibilities for structural health monitoring, especially on aircrafts. However the sensors in these networks only have limited onboard energy resources, which is a severe restriction to their autonomy over a wide lifespan. As electronic and sensors power consumption reduces, a possible ? and explored by many research teams for the last decade ? solution is to harvest energy from the immediate environment of the microsystem, to store it and use it when needed to supply the sensor and electronics. In this thesis we propose to harvest energy from engine vibrations on an aircraft structure to supply a structure health monitoring sensor. Our contribution lies in the conception and integration on Silicon of a miniature piezoelectric harvester and capacitive charge storage device. As for the piezoelectric harvester, a proposed finite elements analysis coupled with a SPICE description of the charge circuit enabled the design of an optimized device, which is made of 4 monomorphic cantilevers (Si/PZT) that can generate > ?W power and > V voltage despite low power incoming vibrations (0.1 to 0.5g @ 40-80 Hz). This device has been fabricated on a silicon wafer using standard MEMS technologies and femtosecond LASER etching of the cantilevers. The charge storage device, designed and integrated onto silicon, is an electrochemical double layer capacitor. Development of the geometry of the electrodes, the active material deposition and hermetic wafer level sealing under water-free atmosphere of the component have been led. A VHDL-AMS model of both micro-devices (harvester and charge storage) is proposed and systems simulations over simple use cases are compared to the experiment.Les réseaux de capteurs communiquant sans fil offrent des possibilités extrêmement intéressantes pour l'application de surveillance de santé de structures, et particulièrement dans le secteur aéronautique. Cependant les capteurs qui constituent chaque noeud du réseau ne disposent pas de ressources énergétiques permanentes et leur autonomie énergétique sur de longues périodes est un problème. Avec la réduction de la consommation des composants électroniques et des capteurs, une solution possible et explorée depuis une dizaine d'années par nombreuses équipes consiste à récupérer l'énergie disponible dans son environnement, de la stocker et la gérer pour alimenter le capteur. Nous proposons dans cette thèse d'exploiter le potentiel énergétique des vibrations mécaniques d'une structure aéronautique pour alimenter un capteur de surveillance de santé de structure aéronautique. Notre contribution porte sur la conception et l'intégration sur silicium d'un générateur piézoélectrique miniature et d'un micro dispositif de stockage capacitif. Concernant le générateur piézoélectrique, l'élaboration d'un modèle à éléments finis (COMSOL) couplées avec une description SPICE du circuit de charge, a permis de concevoir - une structure optimisée consistant en 4 poutres monomorphes (Si/PZT) capable de générer des puissance électrique > ?W et des tension > V en dépit de puissance mécaniques incidentes faibles : vibrations de 0,1g-0,5g @40-80 Hz. Ce dispositif a ensuite été réalisé sur silicium à l'aide de technologies MEMS et de l'usinage laser femtoseconde. Le dispositif de stockage conçu et intégré sur silicium est un condensateur à double couche électrochimique. Les différentes briques technologiques développées concernent l'optimisation des géométries d'électrodes, le dépôt de la matière active et l'encapsulation hermétique de l'électrolyte organique en atmosphère anhydre. Un modèle VHDL-AMS des deux éléments (récupérateur et stockage) réalisés est proposé et une simulation du systè me sur un cas d'utilisation simple est comparée à l'expérience

Read Your Voice - A Playful Interactive Sound Encoder/Decoder

International audienceRead Your Voice is a playful interactive multimedia system that allows the user to record a sound, encode it as an image, and then play it back using his smartphone, while controlling the speed and direction of playback

A SIDO buck converter with ultra low power MPPT scheme PowerMEMS

International audienc

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Wafer-level fabrication process for fully encapsulated micro-supercapacitors with high specific energy

International audienceIn this paper a wafer-level process is proposed to fully integrate carbon-based micro-supercapacitor onto silicon substrate. This process relies on the deposition of a paste containing carbon, PVDF and acetone into cavities etched in silicon. After electrolyte deposition in a controlled atmosphere, a wafer-level encapsulation is realized. Cyclic voltammetry performed on non-encapsulated microcomponents showed specific energy of 257 mJ cm-2 for 336 lm deep cavities. The specific encapsulation process developed was tested separately and proved to be efficient in terms of resistance to organic electrolytes and mechanical strength

Elaboration of a Microstructured Inkjet-Printed Carbon Electrochemical Capacitor

International audienceCarbon-based micro-supercapacitors dedicated to energy storage in self-powered modules were fabricated with inkjet printing technology on silicon substrate. An ink was first prepared by mixing an activated carbon powder with a PTFE polymer binder in ethylene glycol stabilized with a surfactant then deposited by inkjet on patterned gold current collectors with the substrate heated at 140°C in order to assure a good homogeneity. Electrochemical micro-capacitors with electrodes in an interdigitated configuration (40 µm wide (w), 400 µm long (L) and 40 µm interspace (i)) were fabricated, and characterized using electrochemical techniques in 1 M Et4NBF4 propylene carbonate electrolyte. These micro-devices show an excellent capacitive behavior over a wide potential range of 2.5 V for a specific capacitance per electrode of 5.1 mF.cm-2. The newly developed technology will allow the integration of the storage device as close as possible to the MEMS-based energy harvesting device, minimizing power losses through connections

Fabrication an simulation of a PZT energy scavenging MEMS

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