Contribution à la conception de générateurs électroactifs souples

Contribution to the conception of soft dielectric elastomer generators

• Auteur / Autrice : Cong Thanh Vu
• Direction : Alain Sylvestre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologie industrielles
• Date : Soutenance le 01/10/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Multon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Skandar Basrour, Stéphane Monfray, Christine Nayoze, Sophie Hasbroucq, Stéphane Richard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elie Lefeuvre, Henri Camon, Hervé Chabanne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microphones électrostatiques

Élastomères

Mots clés libres

Élastomère diélectrique

Récupération d’énergie

Électret

Générateurs souples

Hybridation

Polymères électroactifs

Electroactive polymers

Energy scavenging

Electret

Soft generator

Hybridization

Dielectric elastomer

Résumé

Récupérer l'énergie mécanique ambiante est une alternative prometteuse afin d'assurer l'autonomie énergétique d'appareils nomades. Le développement des générateurs électrostatiques souples reste toutefois à ce jour anecdotique du fait des hautes tensions de polarisation employées, de la nécessité de grandes déformations mécaniques mais aussi de l'utilisation de matériaux peu conventionnels et mal caractérisés. Le but de cette thèse est d'apporter des avancées scientifiques et des solutions aux verrous technologiques précités. Tout d'abord, une caractérisation rigoureuse des propriétés électriques et mécaniques de deux matériaux communément utilisés pour ces applications (acrylate VHB 4910 et silicone Polypower) nous a donné accès aux propriétés physiques dans un fonctionnement réel de ces polymères : influence de la précontrainte, de la nature des électrodes... Ces données ont permis d'élaborer des lois analytiques fiables que nous avons ensuite insérées dans un modèle thermodynamique permettant de définir avec précision les puissances et densités d'énergie récupérables pour ces générateurs. Des pistes d'amélioration des matériaux utilisés dans les applications générateurs peuvent être dégagées de notre modèle. Le second verrou à lever concerne la source haute tension de polarisation nécessaire à ces générateurs électrostatiques. Pour cela, nous avons proposé une solution innovante couplant l'élastomère diélectrique à un électret. Différentes configurations de générateurs hybrides dans des géométries 2D et 3D ont été évaluées. Enfin, nous avons réalisé un prototype qui a délivré une puissance de l'ordre de 35µW sachant qu'une optimisation de ce prototype est réalisable et que des puissances récupérées de plusieurs centaines de µW sont tout à fait réalistes.

Scavenging mechanical ambient energy is a promising solution to ensure the autonomy of wearable transducers. Nevertheless, the development of soft electrostatic generator (DEG) is up to now slow down due to the use of high bias voltage, high strain and innovative mischaracterized materials. The aim of this Ph-D thesis is to propose innovative solutions to these technological barriers. Firstly, a complete characterization of the electrical and mechanical properties of two commonly used dielectric polymer (acrylate VHB 4910 and silicone Polypower) has revealed the true physical properties of these polymers and especially the influence of the pre-stress and the nature of the electrode used. Thanks to these data, reliable analytic laws have been proposed and inserted into our thermodynamic model in order to predict the output power and scavenged energy density for the DEG. Moreover, our model allow us to propose improvements for the materials used in these applications. The second challenge is to propose an alternative to the high bias voltage needed for these soft generators. We have proposed an innovative solution combining an electret and a dielectric elastomer. Various configurations of hybrid generators in 2D or 3D geometry have been modelled and evaluated. Finally, a prototype has been designed allowing scavenging 35µW. With an appropriate optimization of our prototype, hundreds of µW can be scavenged.