Focus sur les systèmes de récupération d’énergie vibratoire à base d’électrets

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Thématique modélisation et optimisation des structures de récupération d’énergie

Le premier grand thème de notre étude porte sur la modélisation des systèmes de récupération d’énergie à électrets. En fait, bien que les systèmes que nous vous présenterons par la suite soient connus depuis une trentaine d’années, aucune modélisation précise n’a été publiée jusqu’à présent. Notre objectif sera donc de déterminer les équations en jeu, de les résoudre et d’en déduire les différents paramètres influant sur le système. Cette étude nous permettra également de développer un procédé d’optimisation dont le but sera de maximiser l’extraction d’énergie de la structure de récupération d’énergie à électrets.

Thématique matériaux

La présence d’un électret simplifie beaucoup l’électronique de gestion des structures de récupération d’énergie vibratoire. Cependant, cela ajoute une dimension « matériau » à notre étude. Le but de cette partie sera donc de travailler sur les électrets : il s’agira tout d’abord de développer des bancs de chargement puis d’étudier la stabilité des électrets ainsi que les effets de différents traitements thermiques ou de surface et finalement de chercher des matériaux capables de conserver leurs charges pendant toute la durée de vie du système (>10 ans).

Thématique structure

Grâce aux résultats des deux thématiques précédentes, nous travaillerons sur la fabrication de plusieurs structures de récupération d’énergie à électrets : tout d’abord sur des systèmes macroscopiques, qui nous permettront de valider les différents modèles développés, puis sur des systèmes microscopiques et leur réalisation en silicium par les procédés de salle blanche.

Thématique gestion électrique et récupération de l’information

Afin de pouvoir utiliser l’énergie récupérée par la structure, il est nécessaire de développer un circuit électronique permettant de stocker l’énergie dans une capacité-buffer ou dans une batterie. Nous travaillerons essentiellement sur un circuit de gestion de l’énergie basé sur une structure de conversion de type flyback. Nous développerons finalement une technique permettant de récupérer la valeur de l’accélération des vibrations ambiantes à partir de mesures de capacités de la structure de récupération d’énergie à électrets.
Les chapitres de cette thèse s’articulent autour de ces thématiques. Dans un premier temps, nous présenterons un état de l’art général des systèmes de récupération d’énergie (chapitre I) puis nous nous focaliserons sur la récupération d’énergie à électrets d’un point de vue théorique (chapitre II). Ensuite, nous présenterons les résultats expérimentaux obtenus sur les électrets (chapitre III) puis sur les structures de récupération d’énergie utilisant ces électrets (chapitre IV). Finalement, nous nous intéresserons aux thématiques de gestion électrique puis de récupération de la valeur de l’accélération (chapitre V)

Rayonnement infrarouge

Le principe est le même que celui du rayonnement solaire mis à part que les cellules ont une énergie de gap adaptée à la longueur d’onde de l’infrarouge. Il est alors nécessaire de placer de telles cellules à coté de sources très chaudes (T>900°C) pour que ces systèmes de récupération d’énergie soient rentables. Il existe également des déclinaisons similaires pour l’ultraviolet ou les rayons X.

Rayonnement RF – Ondes Hertziennes – Antennes

Pour pouvoir récupérer de l’énergie des rayonnements RF issus des émetteurs radios, il faut se placer à proximité de la source émettrice de RF (quelques mètres maximum car l’énergie disponible décroit en 1/r²). La récupération des radiofréquences ambiantes issues des GSM, de la radio, de la télévision… parait donc insuffisante comme source d’alimentation passive.
Néanmoins, ce principe est intéressant pour réaliser de la téléalimentation : interrogation d’un capteur en passant le lecteur/téléphone à proximité. Il nécessite l’utilisation de rectennas (rectifying antennas permettant de convertir des ondes en électricité) et sa faisabilité a déjà été prouvée, notamment au sein de notre laboratoire.

Rayonnement nucléaire

Le rayonnement nucléaire naturel n’est pas suffisant dans une optique de récupération d’énergie. Pour pouvoir utiliser le rayonnement nucléaire, il est nécessaire de se servir de sources radioactives artificielles, ce qui limite les applications du fait du danger pour les êtres vivants. Néanmoins, certains essais ont été réalisés et ont montré la faisabilité de ce principe.
Par exemple, le système de récupération d’énergie présenté figure I-4 utilise une source de radioactivité couplée à une poutre sur laquelle est placé un piézoélectrique : la source radioactive émet des électrons sur la poutre. Les forces électrostatiques qui en découlent provoquent le rapprochement de la poutre vers la source radioactive ; dès qu’il y a contact, les charges sont évacuées et la poutre est relâchée rapidement provoquant sa mise en vibration. L’énergie est récupérée en utilisant le film piézoélectrique placé au niveau de l’encastrement, transformant les vibrations de la poutre en électricité.

Conversion thermoïonique

Lorsqu’un métal ou un oxyde métallique est porté à hautes températures, des électrons parviennent à s’échapper du matériau. Les électrons sont récupérés par une surface de plus basse température placée en regard de l’électrode chauffée. Il y a apparition d’un courant électrique entre les deux surfaces et donc récupération d’énergie. Pour faire fonctionner ces systèmes, il faut au moins chauffer l’électrode à 800K, ce qui n’est pas compatible avec la récupération d’énergie ambiante.

Effet thermotunnel

L’effet thermotunnel se base sur le même principe que la conversion thermoïonique. La différence se situe au niveau de la largeur du gap entre les deux électrodes. En effet, si l’on diminue la largeur du gap jusqu’à quelques centaines de picomètres, les électrons peuvent passer d’une surface à l’autre sans forcément avoir besoin d’une forte température, permettant de ce fait, de rendre le système compatible avec la récupération d’énergie ambiante. Ce type de système présente un bon rendement pour le refroidissement de surface (refroidissement thermoïonique) mais n’est pas particulièrement performant pour la récupération d’énergie au regard des défis technologiques associés [DES2005].

La récupération de l’énergie chimique et biochimique

Le concept d’une biopile est de produire de l’électricité à partir d’organismes vivants. Il est possible de séparer cette famille en deux sous-catégories selon le mode de fonctionnement.
D’une part, il existe des biopiles microbiennes qui se servent de microorganismes pour réaliser des opérations d’oxydation et fournir de l’électricité ; et d’autre part, des biopiles enzymatiques qui utilisent des enzymes issus d’organismes vivants. Une des possibilités offerte par ces piles est d’utiliser le sucre (le glucose) pour générer de l’électricité.

Les biopiles microbiennes

Ces biopiles utilisant des microorganismes permettent la transformation d’énergie chimique en énergie électrique (transformation d’un composant organique en CO2 , eau et énergie). Le système est composé de bactéries, d’une anode, d’une cathode et d’une membrane semiperméable aux cations ou aux protons.
La bactérie placée à l’anode convertit une matière organique en CO2 , en protons et en électrons. Les électrons sont envoyés dans l’anode et vont à la cathode par le biais du circuit électrique en passant par la résistance de charge. Les protons passent quant à eux directement à travers la membrane.

Pressions, forces, sources intermittentes et vibrations très basses fréquences (~1Hz)

Les déformations sont caractérisées par le fait que l’on est en présence de parties mécaniques directement en mouvement relatif, contrairement à la vibration où le mouvement relatif est créé artificiellement par une masse sismique dont le volume est l’élément dimensionnant du système. L’énergie récupérée est alors le produit de la force par le déplacement. Ces systèmes sont généralement utilisés dans la récupération d’énergie des mouvements humains. Ainsi, des prototypes tels que des chaussures ou des patchs appliqués au niveau du genou ou de la poitrine (pour récupérer les mouvements de la respiration) ont été développés et ont montré qu’il était possible de récupérer des puissances pouvant atteindre 2W.

Conversion piézoélectrique

Les matériaux utilisés sont les mêmes que ceux étudiés dans le cas des systèmes de récupération d’énergie vibratoire mais il s’agit ici de récupérer des efforts directs. La puissance maximale théoriquement récupérable est directement liée au travail mécanique disponible ou à la quantité de matériau utilisé. En effet, la densité d’énergie récupérée à chaque cycle (dW) est proportionnelle à la contrainte appliquée sur le matériau (σmec) au carré (à condition de ne pas dépasser la contrainte de dépolarisation du matériau σmax). Il suffit donc de dimensionner la structure pour qu’elle subisse la contrainte désirée en fonction de la force qui lui est appliquée. 2 2 2 W mec E k d   (I-50

Récupération d’énergie à électrets : avantages et applications visées

Les systèmes électrostatiques font partie des systèmes de récupération d’énergie mécanique vibratoire et sont basés sur l’utilisation d’une structure de type condensateur, composée de deux armatures métalliques espacées d’un gap d’air (ou d’un diélectrique (isolant) plus généralement) permettant de convertir l’énergie mécanique, issue des vibrations, en énergie électrique. Ces structures sont particulièrement bien adaptées pour récupérer des vibrations basses fréquences et/ou réparties sur une large bande de fréquences car elles permettent d’atteindre, en petites dimensions, des couplages électromécaniques plus élevés que les solutions électromagnétiques ou piézoélectriques. Elles sont également plus aptes à l’intégration, tirant parti de la réduction des échelles.
L’utilisation des électrets permet de compenser le problème majeur des structures de récupération d’énergie électrostatique sans électret qui nécessite l’utilisation d’une batterie ou d’une capacité chargée afin de pouvoir lancer le premier cycle de conversion.
Ces structures de récupération d’énergie visent les applications où les vibrations produites sont de basses fréquences, réparties sur une large gamme de fréquences, et sont donc compatibles avec de nombreuses applications dans le domaine du transport (voitures, avions,…), de l’industrie (machines,…) et du médical (pacemakers autonomes,…).
Dans ce travail, nous nous concentrons sur l’étude de ces structures électrostatiques de récupération d’énergie à électrets. La partie suivante est par conséquent dédiée à un état de l’art plus précis de cette thématique.

Matériaux utilisés et propriétés

De nombreux diélectriques ont été utilisés pour fabriquer des électrets : les polymères, l’oxyde de
silicium,… Les densités surfaciques de charge maximales qui ont été observées jusqu’à ce jour sont de 10 mC/m² avec des durées de vie estimées à plusieurs centaines d’années dans certains cas. Il n’existe pas de moyen théorique permettant de déterminer la durée de vie des électrets et il n’est toujours pas possible d’expliquer pourquoi certains matériaux conservent leurs charges (certains plus de 400 ans selon les publications) et d’autres non, bien que des paramètres évident comme les coefficients de pertes diélectriques (tan δ) entrent en jeu. Le graphique I-55 présente l’évolution du potentiel de surface d’électrets fabriqués à partir de matériaux différents et montre également que tous les matériaux ne réagissent pas de la même façon en matière de densité surfacique de charge. Il semble par exemple que le Téflon soit tout particulièrement bien adapté pour créer des électrets stables, tout comme l’oxyde de silicium.
Des recherches plus poussées en matériaux ont permis d’obtenir des électrets à partir de polymères moins connus tels que le CYTOP ou le parylène, et qui présentent une grande stabilité à des densités surfaciques de charge relativement élevées (~2mC/m²). Par ailleurs, les propriétés d’électrets de nombreux matériaux ont été testées. Le tableau I10 présente les matériaux qui semblent fonctionner le mieux. Ce tableau n’est évidemment pas exhaustif vu le nombre de publications sur le sujet. De plus, il ne présente pas tous les traitements thermiques ni tous les traitements de surface qui ont permis d’aboutir à une bonne tenue des charges ; il donne les meilleurs résultats obtenus dans les publications jusqu’à présent.

Mise en équation de la partie électrostatique

Modèle équivalent de la capacité variable polarisée par un électret

La partie électrostatique de la structure de récupération d’énergie à électrets peut être modélisée par une capacité variable qui reste polarisée, grâce à l’utilisation de l’électret. Cette dernière peut être simplement représentée par une capacité variable C en série avec une source de tension continue de valeur V, qui est en fait le potentiel de surface de l’électret (figure II14). Nous rappelons que 0  V  d avec σ la densité surfacique de charge, d l’épaisseur de la couche d’électret, ε la permittivité relative du diélectrique et ε0 la permittivité diélectrique du vide.

Cahier des charges et facteurs dimensionnant

Le premier type de prototypes que nous voulons développer est une structure macroscopique ciblant un marché de masse et bas coût. Les structures seront donc plutôt fabriquées avec des matériaux standards (feuilles de métal, silicium non travaillé…), le gap sera dans les ordres de grandeurs de plusieurs centaines de microns et l’électret sera obtenu à partir de polymères type téflon, mylar, kapton…

Résultats des simulations et impact sur le choix de l’électret

Les simulations réalisées nous ont tout d’abord permis d’observer la forme typique de la tension aux bornes de la charge résistive dans le cas des structures out-of-plane (figure II-28).
Il est en effet possible d’observer une discontinuité de la tension lorsque la capacité atteint sa valeur maximale. Ceci est dû au changement de sens du courant lorsque la capacité passe de Cmax – à Cmax + alors que la tension est maximale. En fait, ce même changement de sens a lieu lorsque la capacité est minimale, mais, vu que la tension vaut 0, aucune discontinuité n’est observable.

Injection de charges :

Les charges présentes au niveau des interfaces peuvent migrer dans le volume du matériau.
Il peut s’agir de charges présentes au niveau de l’interface air/électret ou électret/métal. Cette injection dépend du type d’interface et du matériau de l’électrode.

Conduction de surface :

Les charges se déplacent à la surface du matériau. Ces déplacements peuvent être de nature ohmique ou liés à des sauts entre pièges.

Polarisation interne :

La polarisation interne résulte de deux phénomènes : la réponse dipolaire (pour les matériaux dipolaires) et la conduction volumique (transport des charges dans le volume du matériau).

Effets piézoélectriques :

Si le matériau présente un caractère piézoélectrique, des charges (piézoélectriques) peuvent être créées lorsque des charges sont injectées. Le matériau peut subir une contraction due à la force engendrée par le dépôt de charges. La contraction du matériau génère alors une charge qui masque l’effet des charges injectées par décharge Corona.

Déclin du potentiel de surface

Nous avons vu que les mécanismes de transport et de dépiégeages de charges sont divers. Une des techniques permettant de les caractériser est le DPS (déclin de potentiel de surface). Il consiste à mesurer l’évolution du potentiel de surface au cours du temps : les décroissances observées permettent alors de déterminer les mécanismes en jeu. Il présente également les avantages d’être non destructif et simple à mettre en place dès lors que l’on possède un voltmètre électrostatique.
Nous pouvons identifier 5 mécanismes de base influant sur le DPS. La forme des courbes du déclin permet de caractériser les mécanismes prépondérants

Table des matières

Remerciements
Résumé
Abstract
Table des matières
Préambule
Introduction : Contexte, Enjeux et Objectifs
1. Les MEMS et leurs enjeux économiques
2. La récupération d’énergie : contexte, choix et compromis
3. Positionnement du CEA Grenoble sur la récupération d’énergie
4. Objectifs – Plan d’étude – Planning
Chapitre I. Etat de l’art
Introduction
PARTIE 1. Bilan général des systèmes de récupération d’énergie
1. La récupération de l’énergie des radiations
2. La récupération de l’énergie thermique
3. La récupération de l’énergie chimique et biochimique
4. La récupération de l’énergie mécanique
PARTIE 2. Positionnement des systèmes de récupération d’énergie à électrets
1. Récapitulatif et comparatif
2. Récupération d’énergie à électrets : avantages et applications visées
PARTIE 3. Focus sur les systèmes de récupération d’énergie vibratoire à base d’électrets
1. Les structures
2. Les électrets
Conclusion
Chapitre II. Structures de récupération d’énergie à électrets – Théorie
Introduction
PARTIE 1. Modélisation des structures mécaniques résonantes – Modèle de William & Yates.51
1. Modèle de base : Masse-Ressort-Frottement
2. Comportement du système face à une vibration de la forme y(t)=Y.sin(2ft)
3. Application à une vibration réelle – Optimisation des paramètres
PARTIE 2. Récupération d’énergie a électrets – Modèle générique
1. Principe général
2. Mise en équation de la partie électrostatique
3. Modélisation du système dans le cas d’une charge résistive
4. Cas général – Schéma électrique équivalent – Modèle Spice
PARTIE 3. Structures de base : avantages et inconvénients
PARTIE 4. Structure hors-plan macroscopique– Modèle, comportement et impact sur le choix des électrets
1. Modèle de base de la structure et mise en équation
2. Cahier des charges et facteurs dimensionnant
3. Résultats des simulations et impact sur le choix de l’électret
PARTIE 5. Structure dans le plan– Modèle, comportement et impact sur le choix des électret
1. Structure de base
2. Cahier des charges et facteurs dimensionnant
3. Modèle – Simulations – Optimisations
Conclusion
Chapitre III. Matériaux
Introduction
PARTIE 1. Injection de charges – Techniques de caractérisation des électrets
1. L’injection de charges : un modèle à deux échelles
2. Mesure du potentiel de surface : la sonde Kelvin
3. Utilisation d’une capacité MIS : caractérisation spatiale
4. Thermally stimulated currents (TSC) : caractérisation énergétique
5. Thermally stimulated discharge (TSD) : caractérisation énergétique
6. Déclin du potentiel de surface : caractérisation des phénomènes
PARTIE 2. Fabrication et tests des électrets
1. Techniques de fabrication mises en œuvre
2. Matériaux testés
3. Résultats expérimentaux- Focus sur les électrets à base de SiO2
PARTIE 3. Electrets texturés à base de SiO2– stabilité
Conclusion
Chapitre IV. Structures de récupération d’énergie vibratoire à électrets–
Réalisations
Introduction
PARTIE 1. Poutre encastrée-libre – Validation de la théorie
1. Modélisation de la structure
2. Modèle analytique
3. Optimisation de la puissance de sortie
4. Fabrication du prototype et résultats – Comparaison à la théorie
PARTIE 2. Structure macroscopique dans le plan – électroérosion
1. Dimensionnement de la structure mécanique
2. Réalisation des pièces
3. Caractérisation mécanique et électrostatique de la structure à vide
4. Récupération d’énergie avec la structure macroscopique in-plane
PARTIE 3. Intégration de la structure – Structure MEMS
1. Technologies permettant de fabriquer des structures épaisses avec de grands facteurs de forme – Choix de la méthode
2. Process technologique et premières structures mécaniques
Conclusion
Chapitre V. Electronique de gestion
PARTIE 1. Electroniques de récupération d’énergie
1. La récupération d’énergie et son utilisation : process flow
2. Circuits électroniques permettant de charger le buffer – Comparatif
PARTIE 2. Etude du flyback et résultats expérimentaux
1. Fonctionnement général d’un flyback à deux transistors
2. Modes de fonctionnement du flyback : avantages et inconvénients
3. Allure des courbes courants-tensions de la structure flyback
4. Etude du 1er étage : le pont de diode
5. Etude du 2ème étage : dimensionnement du circuit magnétique
6. 2ème étage : calcul approché des pertes dans le transformateur
7. Electronique de gestion : commande des transistors
8. Electronique de gestion basse consommation – Comparateur
9. Electronique de gestion : démarrage du système
10. Résultats expérimentaux
PARTIE 3. Perspective – Mesure de l’accélération – intérêts des structures multiphases
1. Structure déphasée et mesure de l’accélération relative de la masse mobile
Récupération d’énergie vibratoire à électrets ix
2. Modèle inverse de la structure mécanique
Conclusion
Conclusion générale
Bilans techniques
Avancées par rapport à l’état de l’art
Perspectives
Bibliographie

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