Le projet HBS. LETI/DSIS Jean-Jacques Chaillout CEA. All rights reserved

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Marie-Rose Rousseau
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1 Le projet HBS LETI/DSIS Jean-Jacques Chaillout

2 Les buts du projet HBS En 2010 : 8.3 milliards, 1.3 millions d implantations par an, forte croissance dans pays émergents Réduire la taille d un stimulateur cardiaque afin de : Fixer le stimulateur directement à l intérieur du cœur en évitant ainsi l utilisation de sondes par voie veineuse Positionner une capsule dans le ventricule gauche essentielle à une thérapie de resynchronisation cardiaque efficace chez l insuffisant cardiaque (3 milliards. +8%/an) Intervention en ambulatoire Obtenir l autonomie énergétique afin d éliminer les interventions lors de l épuisement de la pile Le projet HBS JJ Chaillout 2

directement à l intérieur du cœur en évitant ainsi l utilisation de sondes par voie veineuse Positionner une capsule dans le ventricule gauche

3 Les challenges relevés Stimulateur actuel Stimulateur HBS Taille du stimulateur 8cm3 <1cm3 Source d énergie Pile 2,5cm3 µgénérateur <0,5cm3 Circuit électronique 1,5 cm3 0,3cm3 Capteur 2 Accéléromètres 1D Accéléromètre 3D < 2mm3 Interface avec le cœur Connecteur de sonde par voie veineuse Boîtier placé sur le cœur en thoracoscopie (source d infection, de défaillance) (optimisation de la position pour une resynchronisation cardiaque efficace) Transmission Human Body Communication Connecteur filaire Le projet HBS JJ Chaillout 3

sonde par voie veineuse Boîtier placé sur le cœur en thoracoscopie (source d infection, de défaillance) (optimisation de la position

(CEA/Grenoble et centre européen d'excellence en micro et nanotechnologie) : analyse signaux, RE capacitive Industries Cedrat

4 Consortium Projet Minalogic sur 3 ans Leader SorinCRM : demande, acquisitions de signaux, électronique du stimulateur, réalisation finale et commercialisation Laboratoires TIMA (CNRS, INPG, UJF) : analyse signaux, RE piézoélectrique (optimisation et réalisation) LETI (CEA/Grenoble et centre européen d'excellence en micro et nanotechnologie) : analyse signaux, RE capacitive Industries Cedrat Technologies : piézoélectrique RE et industrialisation EASII-IC : électronique de RE Tronics: industrialisation RE capacitif Le projet HBS JJ Chaillout 4

5 SorinCRM l industriel final Basé en France à Clamart et Meylan N 1 en circulation extracorporelle (50% mondial) Valves cardiaques : n 2 en Europe Stimulateurs cardiaques n 1 en France, n 2 au Japon, n 3 en Europe Déjà le plus petit stimulateur cardiaque Quelques compétiteurs directs Medtronic USA : Pile Haute Densité EBR USA : Transmission d énergie par Ultrason Nanostim USA : Pile Haute densité St Jude USA : NanoStim Le projet HBS JJ Chaillout 5

plus petit stimulateur cardiaque Quelques compétiteurs directs Medtronic USA : Pile Haute Densité EBR USA :

6 La récupération d énergie 1/3 Sources ambiantes Sources radiantes Sources thermiques Sources mécaniques Sources chimiques µw/cm² or µw/cm³ ,1 E élec util = η élec. η conv. η abs. E source Rarement directement adaptée à la consommation Le projet HBS JJ Chaillout 6

100000 10000 1000 100 10 1 0,1 E élec util = η élec. η conv. η abs.

suffisamment d énergie Théoriquement tout est possible : maintenance prédictive (pression, roulements, ), implants humains

7 La récupération d énergie 2/3 Mode de fonctionnement intermittent Récupération d énergie = démarche opportuniste Adaptation de la fréquence de mesure à la puissance récupérée Stockage dans un buffer énergétique (batterie / capacité) Action lorsqu il y a suffisamment d énergie Théoriquement tout est possible : maintenance prédictive (pression, roulements, ), implants humains (pacemakers, auditifs, tension, ), environnement (bouées marines, ), domotique (interrupteurs sans fil) Le projet HBS JJ Chaillout 7

100bits de données (10m) 1/ heure 1/ jour 1/ semaine Envoi SMS 1/ an 100nJ 1µJ 10µJ 100µJ 1mJ 10mJ 100mJ

8 La récupération d énergie 3/3 Typiquement < 100 µw HBS Fréquence Mesure d accélération 1000/ seconde 100/ seconde 10/ seconde 1/ seconde 1/ 10 seconds 1/ minute Mesure + traitement + envoi= smart dust Transmettre 100bits de données (10m) 1/ heure 1/ jour 1/ semaine Envoi SMS 1/ an 100nJ 1µJ 10µJ 100µJ 1mJ 10mJ 100mJ Energie 1J 10J 100J 1kJ 10kJ 100kJ 1 calorie 1g batterie lithium AAA batterie 1g bois 1g diesel Le projet HBS JJ Chaillout 8

9 Principe de la RE mécanique Système masse ressort + convertisseur Génération + Récupération d un déplacement relatif Exploitation du phénomène de résonance Maximisation de la puissance de sortie Objectif : convertir une partie de l énergie cinétique de la masse mobile en énergie électrique k Masse en suspension (m) 0 x(t) Indépendant du convertisseur F elec F mec électricité y(t)=ysin(ωt) Le projet HBS JJ Chaillout 9

Objectif : convertir une partie de l énergie cinétique de la masse mobile en énergie électrique k Masse

L énergie mécanique Les convertisseurs d énergie vibratoire Piézoélectrique Electromagnétique Electrostatique (+ électrets) Utilisationde matériaux piézoélectriques Application de la

-Faiblecoefficient de couplage -Forts courants de sortie - Faibles tensions -Devient cher (aimants) -Bobines résistives à basses fréquences - Difficile réduction des bobines -Hautes

10 L énergie mécanique Les convertisseurs d énergie vibratoire Piézoélectrique Electromagnétique Electrostatique (+ électrets) Utilisationde matériaux piézoélectriques Application de la loi de Lenz Utilisation d une structureà capacité variable Pour Contre Pour Contre Pour Contre -Hautes tensions de sortie -Peu de contrôles µmétriques -Chers (matériaux) -Faiblecoefficient de couplage -Forts courants de sortie - Faibles tensions -Devient cher (aimants) -Bobines résistives à basses fréquences - Difficile réduction des bobines -Hautes tensions de sortie -Possibilité de faible coûts -Réglage du couplage -Réduction de tailles favorable -Fort incidence des capacités parasites -Besoin de contrôle de gaps µmétriques Le projet HBS JJ Chaillout 10

11 Convertisseur électrostatique Fonctionnement de base Etape 1: Injection de la charge quand C=C max Etape 2: La capacité diminue à charge constante U augmente Etape 3: La charge est récupérée Q var Cycle à charge constante Masse/Contre-électrode k Electrode y(t) Q=CU U max U min 0 Injection d une charge C max U min Conversion U cst Cmin U max Limitation : fournir la 1 ère charge Vibrations ambiantes 2 Q 1 1 E = 2 Cmin C U max Le projet HBS JJ Chaillout 11

++++++++++++++++++++ ------------------- k Electrode y(t) Q=CU U max U min 0 Injection d une charge C max U min Conversion U

12 Les électrets Source de polarisation remplacée par un électret Suppression des cycles de chargement et de déchargement Électret (elektr(electricity)- et (magnet)) Schéma équivalent Capacité C =..S/d Source de tension V=./. Charge par effet Corona Avec contrôle précis du potentiel de surface Le projet HBS JJ Chaillout 12

(magnet)) Schéma équivalent Capacité C =..S/d

13 Les électrets sur Si Méthode de fabrication des électrets texturés Al SiO 2 HMDS Si 3 N 4 h e b silicium Electrets texturés d 1. Lithographie 2. DRIE (gravure profonde) 3. Oxydation thermique 4. LPCVD Si 3 N 4 5. HMDS vapeur HMDS(~10nm) Si 3 N 4 (100nm) SiO 2 (1µm) Si Stabilité : vieillissement, températures, humidité, RX, champs magnétique, Le projet HBS JJ Chaillout 13

Oxydation thermique 4. LPCVD Si 3 N 4 5.

14 Convertisseur électrostatique à électrets Basé sur la variation d influence des charges vibrations Q i Q 1 Q 2 Q i = Q 1 + Q 2 Contre-électrode Electret Electrode Electret (fixe) Electrode et contre-électrode (variable) Deux structures de base / déplacements Hors plan => simple (plan) mais gap mal contrôlé => non optimal Dans le plan => plus compliqué (structuration) mais optimal R i U R C V dq dt V = R 2 P V Q2 C( t) R V et dc/dt paramètres clés 2 R dc dt Le projet HBS JJ Chaillout 14

déplacements Hors plan => simple (plan) mais gap mal contrôlé => non optimal Dans le plan => plus compliqué

15 Les données d entrée Démarche suivie Acquisitions sur animaux et humains (Sorin) Analyse temps/fréquence des signaux (TIMA+LETI) Traitement avec les modèles de µgénérateurs + AC/DC Design des dispositifs (f résonance, mode de conversion, ) Puissance récupérable en sortie AC/DC Points durs Faible nombre de signaux Variabilité inter et intra patients Gisement énergétique < 20 Hz Déplacements millimétriques Le projet HBS JJ Chaillout 15

mode de conversion, ) Puissance récupérable en sortie AC/DC Points durs Faible nombre de signaux Variabilité

16 Réalisation LETI : µtechnologie Etapes de fabrication par DRIE silicium masse Bonding (résine) verre Illustrations µtechnologiques glass Pente < 0,5, suffisant mais amélioration en cours Le projet HBS JJ Chaillout 16

Illustrations µtechnologiques glass Pente < 0,5,

17 Structure mécanique réalisée Test au vieillissement Mode 2 > 400 Hz 1 mois 2,5 ans Millimétriques Le projet HBS JJ Chaillout 17

18 Réalisation LETI : Hybridation Vol 0,3 cm 3 résonnance < 20 Hz masse < 5g puissance > 10 µw gap < 10µm Capot Capsule Masse tungstène Silicium et électrets Verre et électrodes Volume dédié à l électronique Le projet HBS JJ Chaillout 18

Capsule Masse tungstène Silicium et électrets Verre et

19 Modèle électrique Accélération Blocs fonctionnels sous Pspice Externe ÿ Modèle Mécanique / Mécanique vitesses => courants forces => tensions Validations expérimentales Réalisation spéciale Poutre, masse 5g => fr129hz Electret : non texturé, 2000V Modèle Mouvement Mécanique Interne x / Electronique Système de couplage électromécanique C(x) C (x) Modèle Electronique / Electronique P Uc => Modèle validé Le projet HBS JJ Chaillout 19

fr129hz Electret : non texturé, 2000V Modèle Mouvement Mécanique Interne x / Electronique Système de

20 Electronique de gestion (EASII_IC) Sortie : HT/AC(100V) faible courant (qq µa) Objectifs : utilisation avec électronique standard (DC@3V) Convertir la puissance récupérée en une puissance/énergie utile Maximiser le rendement de cette conversion 2 modes de fonctionnement Récupération d énergie i C b Stockage Circuit passif (pont de diode capa) Pas de circuit de contrôle Absorption peu efficace d énergie Récupération d énergie i HT BT DC/DC Electronique Circuit actif (convertisseur DC/DC) Circuit de contrôle (consomme de l énergie) Transfert d énergie au bon moment Absorption très efficace C b Stockage Le projet HBS JJ Chaillout 20

Circuit passif (pont de diode capa) Pas de circuit de contrôle Absorption peu efficace d énergie Récupération d énergie i HT BT DC/DC Electronique Circuit

21 Bilans Système de récupération d énergie mécanique à électrets Optimisation structure et électret en vue de l application Etude multiphysique: mécanique, électronique, matériaux Réalisation faite de la structure mécanique résonante à basses fréquences Fin de réalisation en cours pour la structure complète Etude de la stabilité à long terme des électrets Etude de la compatibilité des systèmes de récupération avec les examens médicaux habituels (RX, IRM, ) Etude AMDEC des risques en vue de l industrialisation Le projet HBS JJ Chaillout 21

22 Bilans Avancées par rapport à l état de l art Un modèle précis de la récupération d énergie à électrets Une méthode de fabrication des électrets texturés stables (brevet) Une structure simple réalisable en technologie collective Un résonateur très basse fréquence Merci Caroline, Brigitte, Sophie, Sébastien, Jean-Sébastien, Benoît, Jean-Baptiste, Thierry et au personnel des salles blanches Le projet HBS JJ Chaillout 22

23 Merci à l équipe technique proche : Caroline, Brigitte, Sophie, Jean-Sébastien, Sébastien, Benoît, Jean-Baptiste, Thierry Merci de votre attention Le projet HBS JJ Chaillout 23

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