Micro-générateurs aéroélectriques flexibles pour l’auto-alimentation de capteurs communicants

Flexible aeroelectric micro-generators for self-powering communicating sensors

• Auteur / Autrice : Julien Le Scornec
• Direction : Benoît Guiffard, Vincent Le Cam, Raynald Seveno
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 14/12/2020
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et des Technologies du numéRique
• Jury : Président / Présidente : Philippe Basset
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Lebrun, Nathalie Lemée

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie mécanique

Couches minces piézoélectriques

Internet des objets

Mots clés libres

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Résumé

L’avènement de l’Internet des Objets a fait de la récupération d’énergie ambiante un enjeu majeur dans le but d’alimenter les microsystèmes communicants. Dans ce contexte, les travaux réalisés dans cette thèse portent sur le développement d'un micro-générateur piézoélectrique flexible, capable de convertir l’énergie mécanique de faibles flux d’air. L’objectif est de rendre certains microsystèmes autonomes en énergie, ou du moins de permettre de prolonger leur durée d’utilisation avec la récupération d'énergie. Les micro-générateurs flexibles sont fabriqués à partir de films minces de zircono-titanate de plomb (PZT) de 3 μm d’épaisseur encapsulés entre des films de poly(téréphtalate d'éthylène) (PET). Le procédé de fabrication des micro-générateurs a été optimisé afin d’accroître leur rendement. Ainsi, l’optimisation de la structure d’électrodes et de la géométrie du générateur a permis de multiplier par 625 la puissance maximale récupérée. Dans cette étude, les micro-générateurs ont été soumis à différents types de sollicitations mécaniques (pot-vibrant, système de traction/compression et soufflerie) de manière à évaluer leur aptitude à la récupération d’énergie. Ainsi, les essais en soufflerie ont montré qu’il était possible de récupérer une puissance de 38 μW à 10 Hz lorsqu‘un générateur était soumis à un faible courant d'air (6 m/s). Ce générateur a permis d’alimenter un capteur de température communicant durant plusieurs cycles de mesures/envoi des données.

The advent of the Internet of Things has rendered the ambient energy harvesting a major issue for powering communicating microsystems. In this context, this work focuses on the development of a flexible piezoelectric micro-generator able to convert the mechanical energy from low airflows. The objective is to develop autonomous microsystems, or at least to extend their lifespan with energy harvesting. To harvest ambient energy, the flexible micro-generators are made of 3 μm-thick lead zirconate titanate (PZT) thin films encapsulated between polyethylene terephthalate (PET) films. The manufacturing process of the micro-generators has been optimized in order to increase their energy efficiency. Both the optimization of the electrode structure and the geometry of the generator made the maximum harvested power increase by a factor of 625. In this work, to characterize the energy harvesting, the micro-generators were excited with different systems (shaker, traction/compression system and wind tunnel). Thus, wind tunnel tests have shown that it was possible to harvest a power of 38 μW at 10 Hz when the generator was subjected to a low airflow (6 m/s). This generator allowed to power a communicating temperature sensor during several measurement/data transmission cycles.