Soutenance mémoire
Récupération d′énergie vibratoire
Les vibrations mécaniques sont répandues dans beaucoup d′environnements. Elles vont des faibles vibrations des murs et du sol à proximité de machines-outils aux très fortes sollicitations des pièces mécaniques en contact avec un moteur d′avion, tout en passant par des excitations naturelles telle que le vent. Les vibrations sont sujettes à de grandes variations de fréquence et d′amplitude. L′exploitation de l′énergie vibratoire ambiante apparaît donc comme un excellent moyen de limiter l′usage des batteries et des câbles pour augmenter la durée de vie des nombreux capteurs.
Conversion électromagnétique
La conversion électromagnétique consiste en la modification du flux magnétique présent à la surface des spires d′une bobine par le mouvement d′un aimant permanent situé à l′intérieur de la bobine. Ce mouvement crée un courant dans la bobine proportionnel à la vitesse de l′aimant. Ainsi, la tension générée aux bornes de la bobine est proportionnelle à la vitesse de changement du flux magnétique et au nombre N de spires .
Les systèmes basés sur la conversion électromagnétique sont assez simples à mettre en œuvre, et disposent d′éléments technologiques fiables et performants. De plus, ils permettent de générer des puissances importantes (basées sur un fort courant au détriment de la tension) pour des vibrations de faibles fréquences et de fortes amplitudes. Ainsi, ils sont assez bien adaptés à la récupération d′énergie liée aux mouvements du corps humain. Un point négatif majeur est l′intégration difficile de ce mode de conversion dans des générateurs de taille micrométrique.
En effet, à cette dimension, les aimants permanents sont moins efficaces et le nombre de tours des bobines planaires est limité. La preuve de faisabilité de cette méthode de conversion a été apportée en 1996 [7]. Le premier dispositif fonctionnel a été réalisé en 1997. Avec un volume de 50 mm3 , il générait 0,3 µW [8]. Depuis, de nombreuses recherches ont permis d′améliorer les systèmes de conversions électromagnétiques. Des puissances comprises entre 1 µW et 100 µW ont été obtenues avec des dispositifs adaptés à l′échelle micrométrique des systèmes électromécaniques développés de nos jours [9]–[12]. Cependant, pour de systèmes de plus grande échelle, des puissances plus élevées sont atteintes : 1 mW [13], 3 mW [14], …
Récemment, l′effet magnétoélectrique a été utilisé pour la réalisation de transducteur. Ces dispositifs basés sur la combinaison de propriétés magnétostrictives et piézoélectriques permettent d′obtenir des densités de puissance de l′ordre du mW/cm3 .
Conversion électrostatique
La conversion électrostatique est basée sur le déplacement relatif de deux plaques électriques chargées et isolées l′une par rapport à l′autre. Cela permet de créer un condensateur dont la variation de l′écart entre ses deux électrodes provoque la génération d′énergie. Deux cas d′exploitation sont possibles :
❖ en fixant la tension, le mouvement des plaques provoque l′apparition d′un courant dû au déplacement des charges électriques,
❖ à charge constante, une diminution de la capacité due à la variation de la distance entre les plaques résulte en une augmentation de la tension du générateur et donc de l′énergie stockée dans le condensateur.
Ainsi, l′écartement des électrodes provoqué par les vibrations mécaniques est converti en énergie électrique. Une étude comparative de trois structures classiques pour les générateurs électrostatiques a été réalisée en 2002. Elle a montré que la plus forte densité de puissance est obtenue pour une structure de type « in plane gap closing » . Puis la même équipe a comparé les densités de puissances de ces générateurs électrostatiques et de générateurs piézoélectriques avec les mêmes paramètres. Pour une fréquence d′excitation de 120 Hz et une accélération de 2,5 m.s-2 , les densités de puissances sont évaluées à 50 µW/cm3 pour le générateur électrostatique contre 250 µW/cm3 avec le générateur piézoélectrique [2]. Finalement, même si les générateurs électrostatiques sont facilement intégrables à l′échelle microscopique, ils présentent deux inconvénients majeurs : la nécessité d′une source de tension externe pour pré-charger le condensateur et une densité de puissance plus faible.
Conversion piézoélectrique
La conversion piézoélectrique est basé sur l′effet piézoélectrique direct qui consiste à transformer une contrainte mécanique en énergie électrique. La déformation du matériau piézoélectrique provoque le déplacement des ions induisant l′apparition d′un courant électrique aux bornes du générateur. Pour obtenir un effet macroscopique, le matériau doit être polarisé. Cela consiste à orienter l′ensemble des domaines cristallins selon une direction par l′application d′un champ électrique important.
Les géométries les plus couramment utilisées sont des poutres résonantes. Dans ces générateurs, les contraintes sont dues aux mouvements importants de la structure à sa fréquence de résonance. Le coefficient piézoélectrique à prendre en compte est le coefficient transverse ou le longitudinal, selon l′axe de polarisation. La structure la plus utilisée correspond au mode transversal dans lequel l′axe de polarisation et celui des déformations sont perpendiculaires. Le matériau piézoélectrique est alors intégré entre deux électrodes, formant ainsi un ensemble métal-isolant-métal (MIM). Du fait de sa simplicité de mise en œuvre, ce type de structure utilisant des céramiques piézoélectriques est déjà commercialisé (Midé®, Piezo Systems Inc.) et peut délivrer plusieurs mW de puissance. L′un des désavantages majeurs est la fréquence de fonctionnement relativement élevée de ces systèmes, 100 Hz ou plus. L′utilisation d′une masse additionnelle peut permettre de diminuer la fréquence mais implique un encombrement plus important. Pour obtenir des systèmes efficaces pour des fréquences de travail de l′ordre de 1 Hz, il faut des générateurs flexibles. Cette propriété pourra être obtenue grâce à l′utilisation de polymères piézoélectriques ou de couches minces de céramiques piézoélectriques sur substrats flexibles. Les équipes de recherche se concentrent sur ces matériaux depuis quelques années maintenant, et les résultats sont encourageants. De par leur nature, l′utilisation de polymères piézoélectriques assure une flexibilité importante. Ainsi, Sun et al. ont pu récupérer avec des poutres de fluorure de polyvinylidène (PVDF) (épaisseur comprise entre 15 et 30 µm) encastrés des deux côtés, une puissance de l′ordre de plusieurs µW sous un flux d′air de faible vitesse (inférieure à 1 m.s-1 ) [19]. En 2014, Chen et son équipe ont réalisé un assemblage de deux couches de PVDF dont l′une possède une porosité importante. Cette caractéristique structurale leur a permis d′atteindre une densité de puissance de 8,36 µW/cm3 [20]. Pour les piézocéramiques en films minces, la difficulté réside dans le fait d′avoir un substrat souple. Les solutions étudiées sont généralement des polymères ou des feuilles métalliques de fines épaisseurs. Les polymères sont très flexibles mais ne résistent pas bien aux traitements thermiques nécessaires pour la cristallisation des couches minces de céramiques. Il faut alors développer des procédés de dépôts innovants pour ne pas détruire le substrat. Suchaneck et al. ont utilisé un dépôt par voie physique pour réaliser du zircono-titanate de plomb (PZT) sur un substrat polymère [21]. Un procédé de dépôt à faible température d′une couche mince de ZnO sur un substrat polymère a été présenté par Chung et al. [22]. Ils ont obtenu une tension de 0,66 V et une densité de courant de 55 nA/cm2 pour un rayon de courbure de 2 cm. Un autre procédé basé sur une technique de dépôt plus classique (spin-coating), consiste à transférer une couche mince de film piézoélectrique depuis un substrat rigide vers un substrat polymère par la méthode de lift-off laser [23]–[25]. En utilisant cette technique, Do et al. ont obtenu une densité de puissance de 8,4 nW/cm2 avec un film de PZT de 2 µm sur un substrat plastique [25]. Liu et al. ont développé une poutre avec masse sismique composée d′une couche de PZT de 3 µm d′épaisseur sur une couche de silicium de 3,9 µm d′épaisseur. Avec ce dispositif intégrant 10 éléments de PZT branchés en parallèle, la puissance récupérée vaut 85,5 nW pour une accélération de 1 g et une résistance de charge de 330 kΩ [26]. Une feuille de Ni-Cr a été utilisée par Ko et al. comme substrat pour une couche mince de PZT dont la réponse piézoélectrique a permis de récolter un courant de court-circuit de 0,32 µA/cm2 et une tension de circuit ouvert de 0,3 V pour une contrainte appliquée de 0,4 % [27]. Les densités de puissances générées restent assez faibles avec les structures MIM du fait de la capacité linéaire très élevée du condensateur ainsi réalisé, c′est pourquoi des chercheurs ont élaboré des générateurs s′appuyant sur la conversion piézoélectrique à partir d′électrodes interdigitées (IDE). Celles-ci permettent de diminuer la capacité du générateur et d′utiliser le mode piézoélectrique 33. Zhou et al. ont obtenu une puissance de 168 µW à une résistance de charge de 4 MΩ, une fréquence de 22,5 Hz et une accélération de 0,17 g. L′épaisseur de matériau piézoélectrique était de 250 µm [28], [29]. Plus récemment, Park et al. ont réussi à transférer une couche mince de 2 µm de zirconotitanate de plomb (PZT) sur polymère qui leur a permis de récupérer 17,5 mW/cm2 à travers une résistance de charge de 200 MΩ [30]. La même équipe a amélioré les résultats de récupération d′énergie en utilisant un substrat MgO qui possède une meilleure compatibilité cristalline avec le PZT. Ils ont donc obtenu une densité de puissance de 356 mW/cm3 .
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Table des matières
Introduction
1 État de l′art et procédés technologiques
1.1 Introduction
1.2 Récupération d′énergie vibratoire
1.2.1 Conversion électromagnétique
1.2.2 Conversion électrostatique
1.2.3 Conversion piézoélectrique
1.3 Couches minces piézoélectriques
1.3.1 Piézoélectricité
1.3.2 Structure pérovskite
1.3.3 Méthodes d′élaboration
1.3.4 Photolithographie
1.4 Couches minces piézoélectriques pour la récupération d′énergie
1.4.1 Caractérisations structurales
1.4.2 Caractérisations ferroélectriques
1.4.3 Caractérisations piézoélectriques
1.4.4 Caractérisations mécaniques
1.4.5 Tests de récupération d′énergie
1.5 Conclusion
2 Couches minces piézoélectriques de PZT sur substrat métallique
2.1 Introduction
2.2 Fabrication du matériau
2.2.1 Réalisation des échantillons
2.2.2 Caractérisations structurales
2.2.3 Dépôt de l′électrode supérieure
2.2.4 Claquages électriques et self-healing
2.3 Étude des propriétés diélectriques et ferroélectriques
2.3.1 Influence d′une interface de RuO2
2.3.2 Influence de l′épaisseur de PZT
2.3.3 Influence du rapport Zr/Ti
2.4 Étude des propriétés piézoélectriques
2.4.1 Influence de l′épaisseur de PZT
2.4.2 Influence du rapport Zr/Ti
2.5 Conclusion
3 Couches minces piézoélectriques de PZT sur substrat polymère
3.1 Introduction
3.2 Procédé de transfert du PZT
3.2.1 Couche d′accroche
3.2.2 Soudage du PZT au substrat polymère
3.2.3 Gravure du substrat initial en aluminium
3.3 Structures réalisables
3.3.1 Métal Isolant Métal
3.3.2 Électrodes interdigitées
3.4 Caractérisation de la structure MIM
3.4.1 Polarisation
3.4.2 Propriétés diélectriques
3.5 Caractérisation de la structure IDE
3.5.1 Polarisation
3.5.2 Propriétés diélectriques
3.6 Conclusion
4 Modélisation mécanique des lames de PZT
Conclusion
