Transductions piézoélectriques

La transduction piézoélectrique est le mécanisme le plus pertinent vis-à-vis de notre application puisqu’il n’y a pas de contrainte d’orientation (assiette, roulis) contrairement à la conversion électrostatique. La tension de sortie, bien que dépendante des vibrations incidentes, est d’une manière générale à un niveau confortable (~1 à 10 V) pour l’électronique de gestion qui doit traiter le signal généré. L’efficacité du générateur piézoélectrique étant essentiellement limitée par les performances des matériaux, le défi technologique se situe dans l’intégration de matériaux piézoélectriques ayant de bonnes caractéristiques. Pour cela, nous définirons cet effet avant d’aborder ce type de matériaux.

Définition de la piézoélectricité

La piézoélectricité (du grec piézein presser, appuyer) est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique. Cette propriété trouve un très grand nombre d’applications dans l’industrie et la vie quotidienne. Une application parmi les plus familières est l’allume-gaz. Dans un allume-gaz, la pression exercée produit une tension électrique qui se décharge brutalement sous forme d’étincelles : c’est une application de l’effet direct. De manière plus générale, l’effet direct peut être mis à profit dans la réalisation de capteurs (capteur de pression etc.) tandis que l’effet inverse permet de réaliser des actionneurs (Injecteurs à commande piézoélectrique en automobile, nano manipulateur…). Les deux effets sont indissociables. Le premier est appelé effet piézoélectrique direct le second effet piézoélectrique inverse. Ce phénomène a été découvert au XIXème siècle par les frères Pierre et Jacques Curie. Certains cristaux, lorsqu’ils sont soumis à une pression, dans des directions particulières, voient apparaître des charges positives et négatives sur certaines portions de leur surface. Ces charges sont proportionnelles à la pression et disparaissent quand la pression cesse. L’effet indirect : Un potentiel électrique donne naissance à un effort mécanique.

Matériaux piézoélectriques

De nombreux cristaux naturels présentent des propriétés piézoélectriques. On peut citer le quartz, la topaze, la tourmaline, la berlinite (AlPO4). Dans la pratique, les matériaux utilisés pour la fabrication des différents dispositifs sont des matériaux de synthèse qu’on peut classer selon leur structure cristallographique ou leur composition chimique. Ces matériaux peuvent être regroupés en trois classes principales :

– Matériaux cristallins (comme le quartz),

– Matériaux céramiques (comme le PZT),

– Matériaux polymères (comme le PVDF).

Géométrie de la micro-poutre étudiée

La majorité des convertisseurs d’énergie vibratoires développés à ce jour est basée sur un système mécanique résonant de type masse-ressort qui optimise l’énergie mécanique ambiante qui peut être récupérée. Avec ce type de système mécanique, l’énergie mécanique ambiante récupérée n’est d’autant plus grande que le déplacement de la masse sismique l’est. Pour ces simulations, la micro poutre est constituée d’matériau piézoélectrique. Pour augmenter la déformation sur la surface de la micro poutre et réduire sa fréquence de résonance, une masse sismique est placée à l’extrémité libre de la poutre. La fréquence de résonance de la micro poutre est simulée à l’aide d’une analyse harmonique. Le module « Mécanique des solides » est utilisé pour résoudre la simulation mécanique. La microstructure est fixée à l’autre extrémité pour assurer la vibration de la microstructure hors plan. Figure II.4. La géométrie de l’empilement des couches de la micro-poutre. En gris la masse sismique en rouge le PZT et en bleu le Si. La forme générale de ce type de convertisseur est constituée de 3 parties comme représenté sur la figure II.4. La partie poutre suspendue est encastrée à l’extrémité gauche d’un côté et rattachée de l’autre côté par une masse sismique libre et comme matériaux on a choisi le silicium (Si) et le matériau piézoélectrique (PZT).

Analyse expérimentale

Avant d’exposer les résultats, nous exposons sur le tableau III.1. Les composants utilisés pour tester la micro-poutre polymère Pour tester la micro-poutre à base de polymère, nous avons établi un banc de test expérimental. Pour cela, il fallait créer des vibrations grâce à un cerveau moteur (s90) de chez Micro moteur. Ce type moteur nous permet d’avoir plusieurs fréquences de vibration selon l’angle de rotation. La figure III.3. Donne la courbe de l’angle de rotation du cerveau moteur en fonction de la fréquence de vibration. Ce type de moteur nous permet d’aller de quelques Hertz jusqu’à la centaine d’Hertz. Pour programmer ce moteur et balayer automatiquement en fréquence lors des tests de vibrations, nous avons utilisé une carte Arduino MEGA 2560 acheté chez Robot shop. La figure III.4 montre une photo du montage de ces deux composants. Figure III.4. Photo du montage du cerveau moteur S90 et la carte Arduino MEGA2560. Pour relier ce moteur à la poutre, nous un fil métallique qui entoure le bout de la poutre. La figure III.5. montre une photo du montage complet. Pour mesurer la tension générée par la poutre à base du polymère PVDF (MEAS), nous avons utilisé un multimètre Fluke107. Lors des premiers tests, les mesures de tensions fluctuaient à basse fréquence (0 à 10 Hz) avec des tensions de l’ordre du dixième de volte (0,1 à 0,3 V). Ces tensions sont considérées comme faibles pour faire ressortir un pic, nous avons ajouté une masse sismique coupée d’un wafer de Silicium de 500 μm d’épaisseur.

L’inconvénient de cette démarche est que la découpe se fasse manuellement donc impossibilité d’avoir une précision sur la masse ajoutée et difficile de les comparer aux résultats de modélisation. La figure III.6. Montre les mesures de voltage récupéré en fonction de la fréquence pour la poutre avec une masse sismique de Silicium. Nous remarquons que les tensions maximales sont autour de 5 à 10 Hertz pour les deux essais. Figure III.6. Les mesures de voltage récupéré en fonction de la fréquence. Ces résultats sont en décalage avec ceux de la modélisation. Pour expliquer ce décalage, les propriétés incluses du logiciel sont prises de sa bibliothèque et ne sont pas compatible avec ceux du dispositif commercial. Pour une meilleure comparaison, il faut caractériser les matériaux de cette poutre pour ressortir leur module d’Young, coefficient de poisson, facteur de couplage piézoélectrique… D’autres tests ont été effectués en plaçant une pince à mi- longueur de la poutre comme curseur qui servira comme encastrement à cette longueur. La figure III.7 montre une photo de ce type de montage. La figure III.8. Montre une comparaison des mesures de voltage récupéré en fonction de la fréquence entre le premier test de toute la poutre et la poutre à mi – longueur. Nous remarquons que les tensions maximales sont toujours autour de 5 à 10 Hertz pour les mesures avec curseur. Le pic de tension avec curseur est plus affiné que celui sans curseur. Figure III.8. Comparaison des mesures de voltage récupéré en fonction de la fréquence avec et sans curseur. Nous remarquons aussi que les tensions générées autour du pic est largement supérieure pour la poutre avec curseur. Ceci est surement du au non fléchissement de la poutre vu sa souplesse et largeur.

Conclusions et perspectives

Le travail présenté dans ce mémoire présenté sur le portail clicours.com concerne la récupération de l’énergie mécanique pour la génération de l’énergie électrique en vue d’alimenter l’électronique de faible puissance comme des microsystèmes embraqués. Grâce à ce type d’application ces systèmes de devenir autonome. Nous démontrons les points forts dans le domaine de la récupération d’énergie. Les modèles développés ont été confrontés aux mesures expérimentales. De nombreuses avancées technologiques sont encore à réaliser : de l’amélioration du matériau à son utilisation en générateur en passant par sa caractérisation fiable et sa modélisation. De plus en plus d’équipes scientifiques se positionnent dans ce domaine des polymères électro-actifs mais aucune étude comparative ne complète en mode générateur n’a été réalisé. Dans ce projet, nous avons pu établir des lois de comportement de la conversion, de l’énergie électrique vibratoire en énergie électrique d’une micro-poutre grâce à une étude de modélisation aux éléments finis sous Comsol multiphysiques. Lors de toutes ces modélisations, nous avons appliqué une variation de vibrations aux bouts de la poutre en variant plusieurs paramètres géométriques. Nous avons remarqué que plus la longueur et la largeur de la poutre diminuent, la fréquence d’utilisation devient petite tout en gardant le même niveau de tension générée.

De cette étude, nous remarquons la tension générée baissera, en présence des électrodes, en présence d’obstacle de vibration, et de la diminution de la surface de la poutre comme c’est le cas en comparant un format trapèze et rectangle. Pour l’analyse des vibrations d’une micro-poutre polymère MEAS à base de matériau piézoélectrique PVDF, un montage de banc de test a été établi pour créer des vibrations dans un intervalle de fréquence. Pour cela, nous avons utilisé un cerveau moteur commandé avec une carte Arduino pour balayer en fréquence ente 0 et 100Hz. Nous avons pu mesurer des pics de tensions entre 5 et 10 Hertz. Ce pic de voltage a été affiné et amélioré en plaçant une pince comme curseur. Nous avons pu atteindre des tensions autour de 4 V pouvant dans l’avenir à l’aide d’un amplificateur de courant rendre un dispositif autonome. De cette étude plusieurs perspectives sont à l’étude pour exploiter au maximum le potentiel de ce type de structure. Nous pouvons citer les points suivants :

– Pour générer une tension plus supérieure, nous pour créer un circuit plus spécifique et adapté à une application donnée en utilisant un amplificateur de tension et une capacité de stockage pour une utilisation optimale,

– Pour une utilisation sur un intervalle large en fréquence, nous pouvons imaginer de curseurs dynamiques en longueur de la micro-poutre comme ancrage lors des vibrations (figure ci-dessus)

– Tester d’autres types de polymères avec des souplesses et dimensions différentes.