Conception de dispositifs piézoélectriques de récupération d'énergie utilisant des structures multidirectionnelles et nanostructurés PDF Download
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Author: Hadj Daoud Mousselmal
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Book Description
Ces travaux de thèse portent sur le développement de nouveaux systèmes piézoélectriques récupérateurs d'énergie à partir de vibrations mécaniques environnementales. L'objectif recherché est d'apporter des solutions à certaines contraintes fortes liées à la miniaturisation de ces systèmes, en vue de leur intégration en technologie MEMS. Les 2 axes majeurs suivis lors de ces travaux sont :(i) la nanostructuration par porosification du substrat silicium. Ce procédé permet de créer des zones fonctionnalisées possédant des propriétés locales de masse volumique et de rigidité plus faibles que celles du substrat silicium. Ceci permet d'une part d'améliorer le coefficient de couplage électromécanique global de la structure et, d'autre part, de maintenir la fréquence de résonance du mode fonctionnel dans une gamme fréquentielle basse (
Author: Hadj Daoud Mousselmal
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Ces travaux de thèse portent sur le développement de nouveaux systèmes piézoélectriques récupérateurs d'énergie à partir de vibrations mécaniques environnementales. L'objectif recherché est d'apporter des solutions à certaines contraintes fortes liées à la miniaturisation de ces systèmes, en vue de leur intégration en technologie MEMS. Les 2 axes majeurs suivis lors de ces travaux sont :(i) la nanostructuration par porosification du substrat silicium. Ce procédé permet de créer des zones fonctionnalisées possédant des propriétés locales de masse volumique et de rigidité plus faibles que celles du substrat silicium. Ceci permet d'une part d'améliorer le coefficient de couplage électromécanique global de la structure et, d'autre part, de maintenir la fréquence de résonance du mode fonctionnel dans une gamme fréquentielle basse (
Author: David Gibus
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La récupération d'énergie vibratoire s'intéresse à utiliser les vibrations afin d'alimenter des capteurs sans fil communicants à des emplacements où les piles et les batteries ne peuvent être employées ou changées. Dans ce contexte, l'utilisation de structures résonantes piézoélectriques permet de récupérer des puissances électriques importantes. Cependant, ces performances ne sont atteintes que sur une bande fréquentielle très limitée (typiquement quelques pourcents de la fréquence de résonance du récupérateur). En réponse à cette problématique, des techniques électriques capables d'ajuster la fréquence de résonance de récupérateurs piézoélectriques sont développées depuis quelques années. Pour atteindre une bande de fréquence de fonctionnement intéressante grâce à ces techniques, les récupérateurs piézoélectriques doivent présenter un très fort couplage électromécanique global. Cette thèse porte donc sur la modélisation, la conception et la caractérisation de récupérateurs d'énergie piézoélectriques très fortement couplés pour la récupération d'énergie vibratoire large bande. Dans cette thèse, il est montré que la poutre encastrée-libre (cantilever) comportant une longue masse mobile à son extrémité libre est la configuration la plus pertinente pour optimiser le coefficient de couplage électromécanique global. La proposition puis l'exploitation d'un modèle analytique dédié, nous a permis de démontrer l'intérêt de la longue masse. Ce modèle permet notamment d'étudier les aspects électromécaniques de manière adimensionnelle et de dresser des conclusions générales sur le dimensionnement de poutres très fortement couplées. Sur un autre aspect, les travaux réalisés montrent que, pour les matériaux piézoélectriques couramment utilisés en récupération d'énergie, le coefficient de couplage électromécanique global d'une poutre est maximisé lorsque les déformations latérales sont minimisées. Cet effet peut être obtenu par la maximisation de la largeur de la poutre (état de déformation plane) ou alors par la fixation de barreaux latéraux sur cette dernière. Afin de valider expérimentalement l'intérêt d'une longue masse mobile, un récupérateur à base de matériau monocristallin très fortement couplé (PMN-PT) est proposé. Deux récupérateurs à base de matériau céramique (PZT) sont également proposés afin de montrer l'influence de la largeur de la poutre sur le coefficient de couplage électromécanique global. Les récupérateurs testés avec des charges résistives en conditions vibratoires laissent présager de grands potentiels en matière d'ajustement de fréquences (plus de 10% de leurs fréquences de résonance). Dans le cadre de ces travaux de recherche, un des prototypes a notamment été testé avec un circuit de gestion électrique dédié permettant un ajustement automatique sur une large bande de fréquences (plus de 17% de la fréquence de résonance). Pour finir, un modèle phénoménologique non-linéaire est présenté à la fin de cette thèse. Il permet de considérer et de comprendre l'influence des pertes mécaniques et diélectriques sur le comportement et les performances (puissance récupérée et bande passante) des récupérateurs.
Author: Baba Wague
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Pages : 157
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Avec le développement des circuits intégrés à très faible consommation d'énergie, la nécessité de réduire les coûts d'exploitation des dispositifs électroniques embarqués et l'utilisation des piles usagées constituant une menace pour l'environnement, le concept de récupération d'énergie a acquis un nouvel intérêt. La récupération d'énergie couvre le piégeage de nombreuses sources d'énergie ambiantes perdues et leur conversion en énergie électrique. Une large gamme de dispositifs de récupération d'énergie des vibrations mécaniques a été développée. Une configuration commune consiste en un système de masse-ressort avec un matériau piézoélectrique en parallèle avec le ressort pour convertir une partie de l'énergie mécanique pendant les oscillations en énergie électrique. Jusqu'à présent, le matériau le plus utilisé pour la récupération d'énergie piézoélectrique est le titano-zirconate de plomb (PbZr1-xTixO3) (PZT). Le PZT est le matériau de référence pour les applications microsystème électromécanique-MEMS (MechanoElectroMechanicalSystems) dans le domaine de la récupération d'énergie. Les matériaux piézoélectriques à base de plomb tels que le PZT et niobate-titanate de plomb-magnésium (PMN-PT) offrent des facteurs de couplage piézoélectriques supérieurs à ceux d'autres matériaux. Cependant, malgré ses excellentes propriétés électriques (diélectriques, ferroélectriques et piézoélectriques), le PZT et d'autres matériaux à base de plomb devraient bientôt être remplacés par des composés sans plomb, à cause des problèmes environnementaux. Notre travail vise à développer des matériaux sans plomb de haute performance pour la récupération d'énergie par vibration mécanique. Nous nous sommes intéressés à la fabrication et la caractérisation des dispositifs MEMS pour la récupération d'énergie en utilisant les matériaux piézoélectriques sans plomb tels que le nitrure d'aluminium (AIN), le titanate de baryum BaTiO3 (BTO) et la ferrite de bismuth BiFeO3 (BFO). Les matériaux piézoélectriques PZT (utilisé comme référence à cause ses coefficients piézoélectriques élevés), BTO, BFO et AIN ont été déposés en utilisant des méthodes de dépôt telles que la pulvérisation cathodique et le dépôt sol-gel, conduisant à des films minces à grande échelle, homogènes et de haute densité, avec une épaisseur contrôlée avec précision. Le dépôt de films de 300 nm d'épaisseur par pulvérisation cathodique ou par Sol-Gel a été réalisé sur du substrat de SrTiO3 (STO) recouvert d'une électrode inférieure de SrRuO3 (SRO), qui est le substrat de référence pour les oxydes fonctionnels (PZT, BTO et BFO), et sur un substrat de silicium recouvert de platine, qui est le modèle industriel classique. Quels que soient les matériaux piézoélectriques, nous avons obtenu des films épitaxiés sur substrat de STO et texturés sur substrat de silicium. Des mesures structurales, électriques et piézoélectriques sur les films de BTO, AIN et PZT montrent qu'ils ont de bonnes propriétés physiques en accord avec la littérature.
Author: Linda Serairi
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Le développement des énergies renouvelables peut non seulement compenser le manque d'énergie fossile à l'avenir, mais aussi sauver notre planète en réduisant la pollution par les émissions de CO2. Les matériaux piézoélectriques ont la capacité de convertir les mouvements mécaniques environnementaux en énergie électrique. Dans le cadre de cette thèse, deux types de matériaux piézoélectriques ont été étudiés pour la récupération d'énergie : les nanofils de ZnO et les microfibres de PVDF-TrFE. L'objectif ultime de cette thèse est de réaliser les dispositifs de la récupération d'énergie à faible coût pour rendre les capteurs autonomes.Au cours de la dernière décennie, les nanofils de ZnO ont suscité un grand intérêt dans le domaine de la recherche en raison de leurs multifonctionnalités avec un grand potentiel d'applications dans les différents domaines (récupération d'énergie par effet piézoélectrique et photovoltaïque, capteurs biologiques & chimiques, dépollution de l'eau & de l'air par effet photocatalytique, ...). Le PVDF-TrFE est un polymère attrayant dans les applications de la récupération d'énergie en raison de ses propriétés piézoélectriques, son faible coût et sa grande flexibilité mécanique.Dans ce travail, deux méthodes de synthèse ont été employées pour obtenir les micro- & nanomatériaux piézoélectriques : Hydrothermale pour les réseaux verticaux des nanofils de ZnO et Electrospinning pour les microfibres de PVDF-TrFE. Les conditions de synthèse ont été optimisées afin d'obtenir les échantillons adéquats aux applications envisagées. Ensuite, deux types de dispositifs de la récupération d'énergie ont été fabriqués. Dans un premier temps, nous avons conçu des microgénérateurs (MGs) à base des microfibres de PVDF-TrFE déposées sur le substrat Kapton. Ces MGs flexibles basés sur l'effet piézoélectrique direct permettant la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique à basse fréquence de l'ordre d'hertz. Le second type de nanogénérateurs (NGs) est basé sur des nanofils verticaux de ZnO sur le substrat en silicium. Les tests de la récupération d'énergie ont été réalisés dans une gamme de fréquences de quelques centaines d'hertz pour l'application aéronautique.
Author: Thien Hoang
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Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet Lab-TMEMS, une collaboration entre le laboratoire GREMAN et l'entreprise VERMON. Le but de ce projet est de réaliser des générateurs piézoélectriques miniaturisés convertissant l'énergie de vibrations basses fréquences, pour alimenter des composants électroniques utilisés notamment dans des applications biomédicales. L'objectif de cette thèse est donc de proposer une stratégie de conception et d'optimisation de tels dispositifs. Afin d'atteindre cet objectif, nous avons développé une démarche originale de modélisation par la méthode des éléments finis en tridimensionnel, pour modéliser l'ensemble de la structure du générateur. Après avoir été validé expérimentalement, notre outil de conception est utilisé pour optimiser le générateur piézoélectrique selon un cahier des charges spécifique. Cet outil de conception s'appuie sur des études paramétriques géométriques, en considérant un régime de fonctionnement linéaire. Grâce à cette méthode, nous avons conçu, fabriqué et caractérisé un générateur piézoélectrique optimisé et l'avons ensuite intégré dans un capteur communicant utilisé pour la maintenance préventive d'une machine tournante industrielle. Nous avons ainsi démontré que la puissance fournie par le générateur puis convertie par un circuit électronique dédié est suffisante pour alimenter le capteur et le rendre ainsi autonome.
Author: Canada. Patent Office
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Category : Copyright
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Pages : 1070
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