Conception et réalisation d’un banc pour l’étude de fiabilité des micros dispositifs piézoélectriques de récupération d’énergie dédiés aux implants cardiaques

Design and realization of a bench for the study of the reliability of micro piezoelectric energy harvesting devices dedicated to cardiac implants

• Auteur / Autrice : Seifeddine Maaroufi
• Direction : Fabien Parrain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 30/06/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : LivaNova
• Jury : Président / Présidente : Lionel Petit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Parrain, Lionel Petit, Dimitri Galayko, Laurent Daniel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lionel Petit, Dimitri Galayko

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électromécanique

Essais accélérés (technologie)

Fiabilité

Céramiques piézoélectriques

Énergie -- Conversion directe

Transducteurs piézoélectriques

Mots clés libres

Récupération d’énergie

Fiabilité

Bimorphe piézoélectrique

Céramique PZT

Caractérisation électromécanique

Vieillissement accéléré

Energy harvesting

Reliability

Piezoelectric bimorph

PZT ceramic

Electromechanical characterization

Accelerated aging

Résumé

Dans le cadre de cette thèse de doctorat, nous présentons la conception et la réalisation d’un banc dédié à l’étude de la fiabilité de structures piézoélectriques et plus précisément des micro-dispositifs de récupération d'énergie destinés aux implants médicaux autonomes actifs (stimulateurs cardiaques de nouvelle génération). Les structure étudiées se présentent sous la forme d’un bimorphe piézoélectrique encastré-libre comportant une masse sismique à leur extrémité. Une bonne compréhension du vieillissement des matériaux et des modes de défaillance mécanique et électrique est essentielle pour ce type de système où la vie du patient au sein duquel est implanté le dispositif est directement mise en jeu. Pour étudier la fiabilité et la durabilité de la partie active du récupérateur, nous proposons d'établir une nouvelle méthodologie de vieillissement accélérée via un banc d'essai dédié où l'environnement et les stimuli peuvent être contrôlés avec précision sur une large période de temps. Une caractérisation électromécanique des structures est périodiquement réalisée via l’extraction d’une série d’indicateurs (force de blocage, raideur, tension en régime harmonique) au sein même du banc tout au long du vieillissement. Il est donc ainsi possible d'identifier les différents modes de défaillance potentiels et d’étudier leurs impacts sur le bon fonctionnement du système.

Within the framework of this PhD we present the design and realization of a bench dedicated to the study of the reliability of piezoelectric structures and more precisely micro-devices of energy harvesting for the new generation of active and autonomous medical implants. The structures studied are in the form of a free-clamped piezoelectric bimorph having a seismic mass at their tip. A good understanding of the aging of the materials and of the mechanical and electrical failure modes is essential for this type of system where the life of the patient implanted by this device is directly involved. To study the reliability and durability of the active part of the harvester, we propose to establish a new accelerated aging methodology via a dedicated test bench where the environment and stimuli can be controlled accurately over a large period of time. An electromechanical characterization of the structures is periodically carried out by the extraction of a series of indicators (blocking force, stiffness, tension in harmonic regime) within the bench throughout the aging process. Therefore it is possible to identify the different potential failure modes and to study their impact on the proper functioning of the system.