Dispositif de récupération d'énergie piézoélectrique : modélisation, fabrication et caractérisation

Piezoelectric energy harvesting device : modeling, manufacturing and characterization

• Auteur / Autrice : Thien Hoang
• Direction : Guylaine Poulin-Vittrant, Marc Lethiecq, Maxime Bavencoffe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 06/12/2019
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire GREMAN (Tours)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Delebarre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Petit, Sébastien Boisseau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Impédance acoustique -- Mesure

Couches minces piézoélectriques

Dispositifs piézoélectriques

Systèmes microélectromécaniques

Transfert d'énergie

Modélisation tridimensionnelle

Éléments finis, Méthode des

Dispositifs piézoélectriques

Mots clés libres

Générateur piezoélectrique

Récupérateur d'énergie

Energy harvesting

Piezoelectricity

Modeling

Finite element method

Résumé

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.

This thesis is part of the Lab-TMEMS project, a collaboration between the GREMAN laboratory and the VERMON Company. The goal of this project is to realize miniaturized piezoelectric devices harvesting energy from low frequency vibrations in order to supply devices used in biomedical applications, for example. Thus, the objective of this thesis is to propose a strategy for the design and optimization of such devices. In order to achieve this objective, we have developed an original approach of modeling by finite element method in three-dimensional space in order to model the whole structure of the harvester. After being validated experimentally, our design tool is used to optimize the piezoelectric harvester according to given specifications. This design tool for linear piezoelectric harvesters design was developed based on geometrical parametric studies in linear domain. By using this tool, we have designed, fabricated and characterized the optimized piezoelectric harvester. Then we integrated it into an autonomous wireless sensor used for the preventive maintenance of an industrial rotating machine. The power recovered from the harvester, coupled with its power management circuit, is sufficient to power the sensor, making it autonomous.