Malek TEIB, doctorante de l’ISEN (thèse CIFRE en partenariat avec STMicroelectronics – Rousset) a soutenu avec succès sa thèse le 19 septembre 2023. Elle était notamment encadrée à l’ISEN par les enseignants-chercheurs HDR Edith Kussener et Alain Bravaix.
Elle est partie d’une preuve de concept pour aboutir à la réalisation de circuits sur silicium, des travaux importants réalisés durant 3 années de thèse de Doctorat.

« Malek TEIB a obtenu sa thèse de avec les félicitations du jury, elle a montré beaucoup d’aisance et de maitrise des sujets développés, avec une présentation claire et pédagogique jusqu’à la réalisation des prototypes en technologie C40 de ST. » Alain Bravaix

La soutenance de Malek TEIB a eu lieu le mardi 19 Septembre 2023 à la Technopôle de Château Gombert (Marseille) devant le jury composé de :

• Sylvain BLAYA (Président)
• Luc HEBRARD (rapporteur)
• Andréas KAISER (Rapporteur)
• Fayrouz HADDAD (Examinatrice)
• Alain BRAVAIX (Examinateur)
• Edith KUSSENER (Directrice de thèse)
• Alexandre MALHERBE (co-encadrant)
• Invité : Gaétan BRACMARD

Résumé des travaux de Malek TEIB

L’évolution des technologies de l’Internet des objets (IoT) ainsi que la popularité croissante des appareils connectés ont donné naissance à un nouveau type d’application assurant des services personnels et quotidiens proposés par des objets connectés et portables sur soi (wearables). L’avènement de ce type de technologie pousse au développement de systèmes a très basse consommation d’énergie. D’une autre part, l’utilisation des batteries dans ce type de système présente plusieurs limitations en termes de taille, d’usage et de fiabilité. Notamment, la forme encombrante des batteries, la nécessite de les recharger périodiquement, leur durée de vie limitée ainsi que leur cycle de vie non écologique. Avoir un système de petite taille, fonctionnant à basse tension avec une faible consommation d’énergie suggère une alimentation employant des sources d’énergie ambiante. La technologie de récupération d’énergie ambiante (energy harvesting) offre une opportunité prometteuse pour les objets portables autoalimentés. L’intégration de ces solutions sur le même support en silicium constitue un véritable défi technologique et technique.

Ce travail consiste à concevoir et développer une solution innovante pour les objets portables passifs et auto-alimentés (PWSO), démontrant ainsi la faisabilité de notre système. Afin de réaliser ces objectifs, une approche top-down a été adoptée. Une synthèse des sources de récupération d’énergie compatibles avec les objets portables sur soi, associée à l’étude des différents types de convertisseurs d’énergie a permis l’élaboration d’une architecture de système à multi-sources de récolte d’énergie, combinant deux sources différentes, une source DC et une source AC. La modélisation et la simulation de la solution proposée au niveau système, en utilisant MATLAB/Simulink, a permis de vérifier le comportement de l’architecture et d’identifier les équations permettant de concevoir ses blocs et les facteurs clés associés.

Finalement, le système proposé a été implémenté au niveau circuit utilisant une technologie CMOS 40 nm de STMicroelectronics. Cette étude a permis d’évaluer la gestion de l’alimentation et la consommation d’énergie du système, ainsi que d’identifier ses limitations, ses faiblesses et ses forces. Notre solution de système à multi-sources de récupération d’énergie pour les objets portables sur soi offre une alternative prometteuse pour éviter d’avoir une batterie ou un composant préchargé, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives et opportunités pour la technologie portable.

Abstract of Malek TEIB’s works:

Internet of Things and growing popularity of connected devices are emerging demand for wearables applications which is pushing ultra-low power systems development. Thus, having a system running at low voltage supply with low power consumption introduces the use of ambient energy harvesting. Besides, batteries have several limitations reducing their compatibility with wearables, including periodical need for recharge, limited lifetime, heavy and large form factor and non-eco-friendly life-cycle. Therefore, ambient energy harvesting technology gives a promising alternative for self-powered wearables. The integration of these solutions on the same silicon support is a real technological and technical challenge.

As part of a CIFRE thesis, this work consists on designing and developing an innovative solution for passive wearable self-powered objects, demonstrating a proof of concept of our system.

To achieve our goals, we adopted a top-down strategy, beginning with an overview of energy harvesting sources for wearable devices and establishing a bibliographical survey on energy converters compatible with low ambient inputs and low power circuits. This initial phase resulted in a proposed system architecture called multi-harvesting system, which combined two different input sources, DC and AC harvesting sources.

The next phase involved system level modelling with MATLAB/Simulink, which allowed us to simulate our system behavior, highlight key factors for controlling the system and design its blocks.

Finally, the proposed multi-harvesting system was designed in 40 nm STMicroelectronics CMOS technology. This allowed us to evaluate the system’s power management and power consumption and identify the limitations, weaknesses, and strengths of our proposed system.

To conclude, our suggested multi-harvesting system for wearable devices offers a promising alternative to avoid having a battery or pre-charged component, opening up new possibilities for wearable technology.

Mots clés: Récupération d’énergie, énergie ambiante, multi-sources, objets connectés, wearables, auto-alimentation, éco-responsable, convertisseurs d’énergie.

Liste des contributions scientifiques de Malek TEIB :

• Conférence PHISICS (Poster): M. Teib, A. Malherbe, E. Kussener – ‘’ Multi-harvesting system for self powered wearable’ – Workshop on Practical Hardware Innovations in Security Implementation & Characterization, PHISIC, 2022

• Conférence SMACD avec Best Paper Award : M. Teib, A. Malherbe and E. Kussener, « Multi-harvesting smart solution for self-powered wearable objects, » 2022 18th International Conference on Synthesis, Modeling, Analysis and Simulation Methods and Applications to Circuit Design (SMACD), Villasimius, Italy, 2022, pp. 1-4, doi: 10.1109/SMACD55068.2022.9816278. *Best Paper Award

• Conférence ICM : M. Teib, A. Malherbe and E. Kussener, « Control Gate Technique for Low Power Consumption in Buffer Chains, » 2022 International Conference on Microelectronics (ICM), Casablanca, Morocco, 2022, pp. 181-184, doi: 10.1109/ICM56065.2022.10005378.

• Article journal Integration  : Malek Teib, Alexandre Malherbe, Edith Kussener, Multi-harvesting smart solution for self-powered wearable objects: System-level model and transistor-level design, Integration, Volume 91,2023,Pages 165-172,ISSN 0167-9260, https://doi.org/10.1016/j.vlsi.2023.03.010. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167926023000548)