FR3033552B1 - Procede de fabrication d'un micro-generateur mecano-electrique flexible et micro-generateur correspondant - Google Patents

Abstract

Il est proposé un procédé de fabrication d'un micro-générateur mécano-électrique , comprenant les étapes suivantes : - dépôt (200), sur un substrat mince électriquement conducteur formant une électrode inférieure, d'une couche mince de matériau piézoélectrique, dite couche active ; - dépôt (220), sur la couche active, d'une couche mince de matériau électriquement conducteur formant une électrode supérieure, de façon à former une structure de base en couches minces ; - encapsulation (230) de ladite structure de base dans une couche de revêtement mince à base d'au moins un matériau polymère élastiquement déformable.

Description

Procédé de fabrication d'un micro-générateur mécano-électrique flexible et microgénérateur correspondant

1. DOMAINE DE L'INVENTION L'invention s'inscrit dans le domaine de la récupération d'énergie.

Plus précisément, l'invention concerne la conception d'un générateur mécano-électrique en couches minces destiné à produire de l'énergie électrique à partir d'énergie mécanique ambiante. Ce type de générateur est communément appelé micro-générateur.

Les micro-générateurs concernés par l'invention fonctionnent sur la base d'une conversion d'énergie mécanique, provenant d'un environnement en mouvement vibratoire, en énergie électrique. De nombreuses sources ambiantes d'énergie mécanique présentes dans l'environnement de dispositifs ou systèmes électroniques peuvent être exploitées (fluide en mouvement (liquide, gaz), son, déformations mécaniques, etc.), afin de rendre ces dispositifs ou systèmes autonomes en énergie. L'invention peut s'appliquer notamment, mais non exclusivement, à la conception de micro-générateurs exploitant les « flux d'air » (aussi appelés générateurs « aéro-électriques ») comme sources d'énergie mécanique ambiante propre et durable. De tels micro-générateurs peuvent être implantés dans divers sites exposés au moindre flux ou courant d'air (par exemple un réseau de gaines d'aération d'un bâtiment, un dispositif VMC, une bouche de métro, etc.) ou encore implantés sur un véhicule en mouvement (automobile, train, avion, etc.) exploitant les flux d'air générés par le déplacement du véhicule dans l'air. D'autres applications sont également envisagées par exemple dans le cadre de la récupération d'énergie produite par des ondes acoustiques, des mouvements de machines ou êtres vivants, ou en milieu aquatique (phénomène de houle, notamment). L'énergie récupérée peut servir notamment à alimenter des dispositifs électroniques de faibles puissances, comme par exemple des capteurs sans-fils ou des diodes électroluminescentes.

2. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE

On s'attache plus particulièrement dans la suite de ce document à décrire la problématique existant dans le contexte de la récupération d'énergie par flux d'air, à laquelle ont été confrontés les inventeurs de la présente demande de brevet. L'invention ne se limite bien sûr pas à ce contexte particulier d'application, mais présente un intérêt pour toute technique de fabrication de micro-générateurs mécano-électriques devant faire face à une problématique proche ou similaire.

La récupération d'énergie est une thématique en plein essor qui pousse les chercheurs à concevoir des micro-générateurs permettant d'alimenter des systèmes électroniques en absorbant l'énergie mécanique ambiante présente dans le milieu environnant.

Des résultats prometteurs en termes de récupération d'énergie vibratoire ambiante ont été présentés avec des micro-générateurs utilisant des matériaux piézoélectriques pour assurer la conversion énergétique mécano-électrique. Une contrainte mécanique appliquée au matériau piézoélectrique fait apparaître, par effet piézoélectrique, un signal électrique.

Les matériaux piézoélectriques utilisés traditionnellement sont des céramiques cristallines rigides, qui doivent subir des contraintes mécaniques relativement élevées pour obtenir un rendement de conversion mécano-électrique exploitable, ce qui réduit fortement le champ d'application de ces dispositifs. Des polymères semi-cristallins présentant des propriétés piézoélectriques, comme le polyfluorure de vinylidène par exemple, ont également été mis au point. Ces polymères piézoélectriques présentent l'avantage d'être flexibles et donc sensibles aux ondes mécaniques. Toutefois, les propriétés piézoélectriques de ces matériaux sont moindres comparées à celles des céramiques, et donc exploitables uniquement pour des applications spécifiques (capteurs de force ou de pression par exemple).

Les efforts menés par les concepteurs de micro-générateurs ont débouché ces dernières années sur des techniques d'élaboration de structures en couches minces sur support flexible.

On entend par « couche mince », dans la suite de ce document, une couche de matériau dont l'épaisseur est généralement inférieure à 500 pm, par opposition aux «couches épaisses » ou «en volume» («bulk» en anglais) dont l'épaisseur est généralement supérieure à 500 pm.

Une technique connue, présentée dans la publication « Préparation on transparent flexible piezoelectric energy horvester bosed on PZT films by laser lift-off process » - Y. H. DO - Sensors and Actuotors A - 2013, 200, 51-5, consiste à effectuer dans un premier temps un dépôt, par une méthode classique sol-gel, d'une couche mince en Zircono-Titanate de Plomb (noté PZT) sur un substrat de saphir. La couche mince de PZT ainsi obtenue est ensuite revêtue d'un film de polyéthylène (PET) au moyen d'un adhésif polyuréthane. Une méthode de décollage par faisceau laser (« lift-off laser » en anglais) est alors mise en œuvre pour séparer la couche mince de PZT du substrat de saphir. Le substrat saphir est alors soumis à un balayage laser à travers la face nue de celui-ci et sur l'ensemble de sa surface, de façon à décoller le saphir et ainsi laisser la couche mince de PZT sur un support flexible. Un jeu d'électrodes interdigitées est ensuite déposé sur la couche mince de PZT, puis une couche de protection en résine époxy est déposée sur la couche mince de PZT munie d'électrodes.

Toutefois, cette technique de fabrication est complexe à mettre en œuvre et onéreuse. D'une part, elle requière l'utilisation d'un substrat en saphir poli qui est un matériau très coûteux à produire. D'autre part, l'étape de décollage par faisceau laser nécessite l'utilisation d'un système optique de précision, également coûteux. Enfin, du fait de sa complexité, un transfert de cette technique à l'échelle industrielle paraît difficile.

Un autre inconvénient de cette technique est qu'elle ne fonctionne qu'avec des matériaux compatibles avec le processus de décollage par faisceau laser, offrant ainsi un choix très limité de matériaux envisageables pour la fabrication des microgénérateurs.

Pour ces raisons, l'application industrielle d'une telle technique de fabrication pose donc de réelles difficultés.

3. OBJECTIFS DE L'INVENTION L'invention, dans au moins un mode de réalisation, a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique.

Plus précisément, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un objectif est de fournir une technique de fabrication d'un micro-générateur mécano-électrique, qui soit simple et peu coûteuse à mettre en œuvre.

Au moins un mode de réalisation de l'invention a également pour objectif de fournir une telle technique qui soit facilement industrialisable.

Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir une telle technique qui ne présente aucune contrainte quant aux choix des matériaux utilisés pour la fabrication des micro-générateurs.

Un objectif complémentaire d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir une telle technique qui permette d'obtenir des micro-générateurs sensibles à la moindre contrainte mécanique, par exemple à un flux d'air de faible vitesse tel qu'une brise d'air.

Un objectif complémentaire d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir une telle technique qui permette d'obtenir des micro-générateurs à rendement de conversion mécano-électrique amélioré.

4. EXPOSÉ DE L'INVENTION

Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'un micro-générateur mécano-électrique, comprenant les étapes suivantes : former un empilement d'au moins une structure de base en couches minces, chaque structure de base étant obtenue en : * déposant, sur un substrat mince électriquement conducteur formant une électrode inférieure, une couche mince de matériau piézoélectrique, dite couche active ; * déposant, sur la couche active, une couche mince de matériau électriquement conducteur formant une électrode supérieure; encapsuler ledit empilement dans une couche de revêtement mince à base d'au moins un matériau polymère élastiquement déformable.

Ainsi, l'invention permet d'élaborer, de façon simple et peu coûteuse, un microgénérateur mécano-électrique à base de couches minces souples. L'invention repose sur un dépôt de couches minces successives sur un substrat mince électriquement conducteur, jouant le rôle d'électrode inférieure du microgénérateur. En plus de son rôle classique de support matériel sur lequel sont déposées les couches minces de matériaux actifs, le substrat remplit donc dores et déjà un des rôles fonctionnels du micro-générateur. Ainsi, contrairement au procédé de l'état de la technique qui repose sur un mécanisme complexe de séparation par faisceau laser de couche mince d'un substrat en saphir, le procédé selon l'invention est beaucoup plus simple à mettre en œuvre et moins coûteux. Enfin, il présente l'avantage de n'avoir aucune contrainte quant aux choix des matériaux et de l'épaisseur des couches minces pouvant être utilisés pour fabriquer un micro-générateur.

Par empilement d'au moins une structure de base, on entend une structure de base ou un ensemble d'au moins deux structures de bases superposées.

La couche de revêtement qui sert à encapsuler l'empilement d'au moins une structure de base en couches minces permet d'une part de protéger hermétiquement les couches de matériaux actifs du micro-générateur, et d'autre part de renforcer le comportement élastique de l'empilement dans son ensemble.

Selon un premier mode de réalisation conforme à l'invention, l'empilement comprend une unique structure de base en couches minces; l'encapsulation dans ce cas consiste à recouvrir l'unique structure de base au moyen d'une couche de revêtement mince à base de polymère éiastiquement déformable.

Selon un deuxième mode de réalisation conforme à l'invention, l'empilement comprend une pluralité de structures de base superposées, l'encapsulation dans ce cas consiste à recouvrir la pluralité de structures de base superposées dans sa totalité au moyen d'une couche de revêtement.

Selon un aspect particulier de l'invention, le procédé comprend en outre, pour chaque structure de base de l'empilement, une étape de traitement thermique de la couche active déposée sur le substrat mince électriquement conducteur à une température prédéterminée pendant une durée prédéterminée, effectuée après ladite étape de dépôt de la couche mince active.

Ceci permet de cristalliser la couche mince active sur le substrat électriquement conducteur pour lui conférer ses propriétés piézoélectriques.

Selon un aspect particulier de l'invention, la couche active est formée d'une pluralité de sous-couches minces de matériau piézoélectrique, ladite étape de traitement thermique étant effectuée pour chaque sous-couche mince de matériau piézoélectrique déposée.

Ceci favorise la formation d'une couche mince piézoélectrique de bonne qualité. Le nombre de sous-couches minces est fonction de la méthode de dépôt utilisée et de l'épaisseur de couche mince souhaitée au final.

Selon un aspect particulier de l'invention, le procédé comprend en outre, pour chaque structure de base de l'empilement, une étape de dépôt, précédent ladite étape de dépôt de la couche active, d'une couche mince de matériau conducteur à base de dioxyde de ruthénium, sur le substrat mince.

Une telle couche permet d'améliorer les propriétés électriques de la couche mince piézoélectrique.

Selon un aspect particulier de l'invention, le procédé comprend en outre une étape de formation, dans la couche de revêtement : d'un premier trou traversant s'étendant de la couche mince de matériau électriquement conducteur vers l'extérieur de la couche de revêtement, de façon à permettre un accès l'électrode supérieure, d'un deuxième trou traversant s'étendant du substrat mince de matériau électriquement conducteur vers l'extérieur de la couche de revêtement, de façon à permettre un accès à l'électrode inférieure.

Une telle étape peut être réalisée par différentes techniques comme par exemple, par perçage mécanique, par gravure chimique, laser.

Selon une caractéristique particulière, le matériau piézoélectrique de la couche active est une céramique à base de Zircono-Titanate de Plomb de formule Pb(Zrx,Tii_ X)O3. Ce matériau présente de très bonnes propriétés piézoélectriques.

Selon une caractéristique particulière, le matériau polymère élastiquement déformable appartient au groupe comprenant : un polymère de type élastomère thermoplastique ; un polymère de type élastomère thermodurcissable.

Le matériau polymère sera choisi en fonction de ses propriétés mécaniques (rigidité, souplesse, imperméabilité, capacité à absorber et transmettre l'énergie mécanique à la couche active, etc.), de sa facilité de mise en place, de son coût.

Selon une caractéristique particulière, ladite étape de dépôt d'une couche mince de matériau piézoélectrique est réalisée selon une technique de dépôt appartenant au groupe comprenant : dépôt par voie chimique en solution (CSD) ; dépôt par voie sol-gel ; dépôt par voie chimique en phase vapeur (CVD) ; dépôt physique par pulvérisation cathodique ; dépôt physique par ablation laser pulsé (PLD).

Le dépôt par voie chimique en solution est privilégié du fait de son faible coût et sa simplicité de mise en œuvre.

Selon une caractéristique particulière, le substrat mince électriquement conducteur présente une épaisseur comprise entre 10 et 30 micromètres, la couche active présente une épaisseur comprise entre 1 et 200 micromètres et la couche mince de matériau électriquement conducteur présente une épaisseur comprise entre 20 nanomètres et 1 pm.

Selon une caractéristique particulière, la structure de base encapsulée présente une face inférieure et une face supérieure rectangulaires, chacune ayant une surface comprise entre 1 cm2 et 50 cm2.

Ainsi, le principe est que le micro-générateur dispose d'une surface à l'échelle centimétrique pour avoir une surface de captation des vibrations mécaniques ambiantes élevée et d'une épaisseur à l'échelle micrométrique pour une élasticité (souplesse) accrue.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un microgénérateur mécano-électrique, comprenant un empilement d'au moins une structure de base en couches minces, chaque structure de base comprenant une couche mince de matériau piézoélectrique agencée entre une première couche mince de matériau électriquement conducteur formant une électrode inférieure et une deuxième couche mince de matériau électriquement conducteur formant une électrode supérieure, ledit empilement étant revêtu d'une couche de revêtement à base d'au moins un matériau polymère éiastiquement déformable.

5. LISTE DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 présente un exemple de structure d'un micro-générateur mécano-électrique obtenu à l'aide du procédé selon l'invention ; la figure 2 présente un organigramme d'un mode de réalisation particulier du procédé selon l'invention.

6. DESCRIPTION DÉTAILLÉE

Sur toutes les figures du présent document, les éléments et étapes identiques sont désignés par une même référence numérique.

La figure 1 présente un exemple de structure d'un micro-générateur mécano-électrique obtenu à l'aide du procédé selon l'invention. Le micro-générateur 100 fonctionne en basses fréquences, typiquement dans une gamme de fréquence comprise entre 0,1 et 1000 Hz. Il est dédié à l'alimentation de dispositifs électroniques de faibles puissances, typiquement de l'ordre de 10 nW à 100 pW.

Le micro-générateur 100 se présente sous la forme d'une structure en couches minces superposées destinée à la récupération d'énergie sous flux d'air. Il comprend plus particulièrement : une structure de base en couches minces, référencée 50, elle-même comprenant : * un substrat mince 10 de matériau électriquement conducteur, tel qu'en aluminium par exemple, formant l'électrode inférieure du microgénérateur ; * une couche mince 20 de matériau piézoélectrique, à base de Zircono-Titanate de Plomb (noté PZT) de formule Pb(Zrx,Tii-x)O3, disposée sur la surface du substrat mince 10 ; * une couche mince 30 de matériau électriquement conducteur, tel qu'en aluminium par exemple, s'étendant sur la surface de la couche mince de matériau piézoélectrique 20; une couche de revêtement élastiquement déformable 40 à base de polymère, en polyéthylène par exemple, encapsulant la structure de base 50.

La couche 20 de matériau piézoélectrique illustré ici peut être constituée elle-même d'une ou plusieurs couches minces superposées. Ceci dépend essentiellement de la méthode de dépôt utilisée et de l'épaisseur de couche piézoélectrique que l'on souhaite obtenir pour le micro-générateur. A des fins de simplification de la description, on assimilera par abus de langage le terme « couche mince » à un ensemble de couches minces constituant la couche de matériau piézoélectrique 30.

La couche mince PZT 20 constitue la couche active du micro-générateur, qui assure la conversion d'énergie mécanique (issue de vibrations mécaniques ambiantes) en énergie électrique. Par effet piézoélectrique, une tension entre les électrodes inférieure 10 et supérieure 30 du micro-générateur 100 est générée lorsque la couche mince PZT 20 est soumise à une contrainte mécanique (comme un flux d'air par exemple).

Dans cet exemple, la couche mince 20 a une épaisseur de l'ordre de 3 pm et est de composition Pb(Zr0,5o,Tio,5o)03. L'électrode inférieure 10 a une épaisseur de l'ordre de 20 pm et l'électrode supérieure 30 a une épaisseur de l'ordre de 300 nm. La couche de revêtement 40 présente une épaisseur de 50 pm par exemple. Elle présente une face supérieure 41 et une face inférieure 42 sensiblement rectangulaire et de surface approximativement égale à 5 cm2 par exemple.

Il convient de noter que ces dimensions sont données à titre purement illustratif et peuvent bien entendu être différentes. Notamment, l'électrode inférieure 10 peut présenter une épaisseur comprise entre 10 et 30 micromètres, la couche active une épaisseur comprise entre 1 et 100 micromètres, l'électrode supérieure 10 une épaisseur comprise entre 20 nm et 1 pm, et la couche de revêtement 40 une épaisseur comprise entre 10 pm et 1 mm.

De même, la composition du matériau piézoélectrique est donnée à titre purement illustratif et ne doit pas être limitée à cet exemple. La composition Pb(Zrx,Tii_ X)O3 peut être choisie avec 0 < x < 1.

De manière générale, les dimensions de la couche active 30 et le rapport Zr/Ti peuvent être choisis de façon à ce que le micro-générateur présente des caractéristiques piézoélectriques optimisées (coefficient piézoélectrique d3i, polarisation rémanente et champ coercitif, etc.).

On décrit ci-après, en relation avec la figure 2, les étapes principales du procédé de fabrication selon un mode de réalisation particulier de l'invention.

Etape 200

On procède tout d'abord au dépôt, sur un substrat mince électriquement conducteur, d'une couche mince de PZT de formule Pb(Zr0,5o,Tio,5o)03. Ce dépôt est réalisé au moyen d'une technique de dépôt par voie chimique (ou CSD pour « Chemical Solution Déposition »). Cette technique présente plusieurs avantages : elle est simple à mettre en œuvre, requiert un faible coût d'équipement, permet de réaliser des couches minces de grandes surfaces et d'épaisseurs micrométriques, et de modifier aisément la composition et l'épaisseur de la couche mince. De plus, cette technique est facilement transférable à l'industrie.

Pour procéder au dépôt, une solution précurseur de PZT est tout d'abord obtenue en mélangeant les différents éléments chimiques élémentaires nécessaires à la réalisation d'une couche mince de PZT. Dans un premier temps, une quantité d'acétate de plomb est dissoute dans une solution d'acétique acétique. Dans un deuxième temps, un complexe de n-propoxyde de zirconium et un complexe de n-propoxyde de titane sont ajoutés à la solution selon les proportions désirées (50% Zr, 50 % Ti dans le présent exemple). De manière optionnelle, d'éventuels dopants (tels que du Lanthane (La) et/ou Strontium (Sr) et/ou du Baryum (Ba)) peuvent être ajoutés à la solution à ce stade de la préparation. L'ajout de dopants permet de changer les propriétés électriques du film piézoélectrique. Une quantité donnée d'éthylène glycol est enfin ajoutée à la solution afin de limiter la formation de craquelures de la couche mince de PZT pendant l'étape de traitement thermique ultérieure (étape 210). La solution précurseur ainsi obtenue est filtrée à l'aide d'un filtre à particules de 0,2 pm afin d'obtenir une solution parfaitement liquide et homogène (c'est-à-dire exempt de particules solides).

Un volume de 25 μΙ/cm2 de la solution précurseur est ensuite déposé par enduction centrifuge (« spin-coating ») sur un substrat mince électriquement conducteur. Le substrat utilisé ici est une feuille d'aluminium (Al) d'épaisseur de 20 pm, qui elle-même est plaquée sur une plaque d'inox de 200 pm d'épaisseur afin de faciliter le dépôt par enduction centrifuge. La feuille d'aluminium présente une surface de dépôt de l'ordre de quelques centimètres carrés (5 cm2 par exemple). La vitesse de rotation du substrat et la durée de centrifugation sont choisies suivant l'épaisseur de couche mince désirée. Typiquement, la vitesse de rotation du substrat peut être comprise entre 4000 et 8500 tr/min et la durée de centrifugation sensiblement autour d'une vingtaine de secondes.

On obtient à l'issue de cette étape de dépôt un empilement de couches minces Al/solution précurseur PZT. La couche mince Al constitue l'électrode inférieure 10 du micro-générateur 100 et la couche mince de solution précurseur PZT (20) constitue le matériau actif piézoélectrique 20 du micro-générateur 100 après l'étape 210. A noter que le substrat mince selon l'invention présente donc une double fonction : la fonction de support matériel sur lequel viennent se déposer les couches minces de matériaux et la fonction d'électrode métallique du micro-générateur 100.

Etape 210

On procède ensuite à un traitement thermique de l'empilement de couches minces Al/ solution précurseur PZT. Pour ce faire, l'empilement Al/ solution précurseur PZT est introduit dans un four ayant une température comprise entre 550 °C et 650 °C pour une durée allant de 1 à 3 minutes. Cette étape de traitement thermique est employée pour permettre la cristallisation de la couche mince de PZT sur le substrat en aluminium en vue de lui conférer ses propriétés piézoélectriques. En outre, cette étape permet d'améliorer les propriétés élastiques de la structure en couches minces du micro-générateur 100, notamment en éliminant les contraintes résiduelles présentes dans la structure.

Des essais à la portée de l'homme du métier permettent de sélectionner la température, la durée de traitement thermique, l'épaisseur de la couche et la composition de celle-ci en fonction du niveau d'élasticité (flexibilité/souplesse) souhaité et du degré de cristallisation permettant d'induire des propriétés piézoélectriques exploitables.

En pratique, l'épaisseur de couche mince obtenue après l'exécution des étapes 200 et 210 est de l'ordre de quelques centaines de nanomètres (on parle alors d'une « sous-couche » ou « mono-couche »). Ainsi, pour obtenir une couche mince de PZT plus épaisse, il convient de réitérer les étapes 200 et 210 autant de fois qu'il est nécessaire pour former une couche mince de quelques micromètres (empilement de plusieurs sous-couches).

Selon une caractéristique avantageuse, on peut prévoir de déposer en outre, entre le substrat en aluminium et la couche mince de PZT, une couche mince intermédiaire de dioxyde de ruthénium (RuO2) (non représentée sur la figure 1). Ce dépôt d'une telle couche se fait donc préalablement au dépôt de la couche mince de PZT, à l'aide par exemple d'une technique de dépôt par voie chimique. Cette couche intermédiaire de dioxyde de ruthénium constitue une barrière de diffusion à l'interface ΑΙ/PZT ayant pour effet d'éviter la formation d'une couche d'oxyde pouvant apparaître à l'interface ΑΙ/PZT qui nuit aux propriétés électriques de la couche de PZT. En d'autres termes, la présence d'une telle couche permet d'améliorer les propriétés électriques de la couche mince de PZT. Une couche d'épaisseur d'environ 50 nm a montré de bons résultats du point de vue des caractéristiques piézoélectriques de la couche de PZT.

Etape 220

On procède ensuite au dépôt, sur la couche mince de PZT, d'une couche mince d'aluminium 30 d'épaisseur de l'ordre de 300 nm. Ce dépôt est également réalisé au moyen d'une technique de dépôt par évaporation joule sous vide. Cette couche mince d'aluminium forme l'électrode supérieure du micro-générateur 100. Il s'agit d'un exemple de réalisation particulier. On pourrait envisager d'autres façons pour réaliser un tel dépôt, comme par exemple par pulvérisation cathodique ou par électrolyse. Le simple dépôt d'une laque d'argent par exemple est compatible avec le procédé de l'invention.

On obtient à l'issue de cette étape, un empilement de couches minces AI/PZT/AI, appelé structure de base par la suite, présentant une bonne souplesse et de bonnes propriétés piézoélectriques. En effet, la faible épaisseur de la structure de base AI/PZT/AI (de l'ordre de la dizaine de micromètres) permet de conférer au microgénérateur 100 fabriqué une certaine souplesse mécanique (déformation dans le domaine élastique).

On entend par flexible ou souple dans le contexte de la présente invention, un matériau, une couche mince ou un empilement de couches minces qui est, du point de vue de la physique des matériaux, élastiquement déformable ou, autrement dit, qui présente un comportement élastique.

Etape 230

Enfin, on procède à une encapsulation de la structure de base AI/PZT/AI dans une couche mince de revêtement 40 en polymère élastiquement déformable. On entend par encapsulation, le fait d'envelopper la structure de base AI/PZT/AI dans son ensemble. Cette encapsulation est réalisée au moyen de techniques de plastification ou d'encapsulation bien connues de l'homme du métier, telles qu'une plastifieuse thermomécanique ou une plastifieuse munie d'un système à lame de racloir (communément appelée « doctor blade ») par exemple.

Cette couche de revêtement 40 a plusieurs fonctions. Elle permet d'une part de protéger hermétiquement les parties actives du dispositif de son environnement extérieur. D'autre part, elle permet de renforcer la tenue mécanique du dispositif et donc d'augmenter sa durée de vie. Enfin, elle permet de renforcer le comportement élastique du dispositif dans son ensemble de sorte que la sensibilité du dispositif aux vibrations mécaniques ambiantes s'en trouve améliorée. L'apport d'une élasticité au dispositif augmente la durée des oscillations mécaniques absorbées par le dispositif, ce qui permet d'améliorer le rendement énergétique global du dispositif. Ainsi, la couche de revêtement agit comme une structure hôte dont le rôle est de récupérer efficacement les vibrations mécaniques ambiantes pour les transmettre à la couche mince piézoélectrique.

Pour la réalisation de cette étape d'encapsulation, on préférera utiliser une matière thermoplastique élastique, comme le polyuréthane (PU) ou le polyéthylène (PET) qui sont des polymères souples et bas coût, et une épaisseur comprise entre 10 pm et 1 mm, afin d'obtenir un micro-générateur présentant de bonnes caractéristiques mécaniques et peu coûteux au final.

Bien entendu, il s'agit là d'exemples purement illustratifs et d'autres types de polymère remplissant la même fonction peuvent être utilisé sans sortir du cadre de l'invention, comme par exemple : les silicones, les acryliques, les résines époxy, les caoutchoucs isoprènes, les caoutchoucs acrylonitriles, les copolymères de butadiène et d'acrylonitrile, les éthylène-acétate de vinyle, les polypropylènes, les polyamides, les polyimides, et leurs mélanges. Plus généralement, l'encapsulation peut être effectuée à partir de tout polymère de type élastomère thermoplastique ou thermodurcissable.

Des essais à la portée de l'homme du métier permettent de sélectionner les matériaux et les dimensions les plus appropriées en fonction du niveau de souplesse souhaité et de la compatibilité chimique avec la structure de base en couches minces obtenue au préalable. On privilégiera par exemple des matériaux présentant un module d'Young (module d'élasticité) relativement faible, pour conférer au dispositif son comportement élastique.

Dans le contexte de la récupération d'énergie par flux d'air, le principe est donc que le micro-générateur 100 puisse disposer, sur chacune de ces faces supérieure 41 et inférieure 42, d'une surface à l'échelle centimétrique pour avoir une surface de captation des vibrations mécaniques ambiantes suffisamment grande (et donc une bonne « prise au vent »), et d'une épaisseur à l'échelle micrométrique pour une souplesse accrue. Cela permet d'améliorer la sensibilité du micro-générateur 100 aux contraintes mécaniques qui pourraient lui être appliquées.

Par ailleurs, on peut prévoir la formation dans la couche de revêtement 40 : d'un trou traversant au niveau de la face supérieure 41, s'étendant de la couche mince d'aluminium 30 vers l'extérieur de la couche de revêtement 40, de façon à permettre un accès l'électrode supérieure 30, d'un trou traversant au niveau de la face inférieure 41, s'étendant du substrat mince d'aluminium 10 vers l'extérieur de la couche de revêtement 40, de façon à permettre un accès à l'électrode inférieure 10.

Bien entendu, d'autres techniques de dépôt que le dépôt par voie chimique discuté ci-dessus au niveau de l'étape 200, peuvent également être mises en œuvre sans sortir du cadre de l'invention. On pourrait envisager par exemple de réaliser le dépôt par voie sol-gel, dépôt par voie chimique en phase vapeur (CVD), par dépôt physique par pulvérisation cathodique, ou encore par dépôt physique par ablation laser pulsé (PLD).

Dans le mode de réalisation particulier décrit ci-dessus, le micro-générateur fabriqué comprend une unique structure de base en couches minces (structure de base 50 comprenant l'ensemble des couches 10 (Al), 20 (PZT) et 30 (Al)) encapsulée dans une couche de revêtement en polymère élastiquement déformable. Une fois encapsulée, une telle structure AI/PZT/AI permet de former, du point de vue électrique, un condensateur.

Les inventeurs ont mis au point une variante de réalisation dans laquelle le micro-générateur comprend non pas une simple structure de base AI/PZT/AI, mais un empilement de structures de base, chacune de même composition structurelle AI/PZT/AI. Dans ce cas, le dispositif comprend un ensemble de n structures de bases superposées les unes sur les autres (n étant un nombre entier). A noter que chaque structure de base élémentaire est fabriquée indépendamment au moyen des étapes 200, 210, 220 du procédé décrit ci-dessus. L'étape d'encapsulation est quant à elle réalisée une fois que les n structures de base sont empilées. Ainsi, contrairement au mode de réalisation décrit ci-dessus en relation avec les figures 1 et 2 dans lequel l'encapsulation consiste à recouvrir l'unique structure de base 50 au moyen de la couche de revêtement, l'encapsulation dans ce cas consiste à recouvrir, dans son ensemble, les n structures de base superposées. Une telle structure permet d'offrir un micro-générateur à efficacité augmentée. En effet, grâce à cet empilement astucieux de structures de base, on obtient, du point de vue électrique, un ensemble de n condensateurs en série, ce qui permet de diviser la capacité globale du microgénérateur par n et donc de multiplier par n le niveau de tension de sortie. Le rendement de conversion mécano-électrique s'en trouve donc amélioré. Par exemple, pour un dispositif constitué d'une seule structure de base AI/PZT/AI générant une tension de sortie de 400mV, un dispositif constitué d'un empilement de dix structures de base, chacune de même composition structurelle AI/PZT/AI, permettrait de générer une tension de sortie de 4V.

Le nombre n de structures de base à superposer est choisi en fonction de la tension de sortie voulue et de la sollicitation mécanique externe car l'empilement influence l'élasticité du micro-générateur. L'épaisseur totale de l'empilement sans couche de revêtement doit rester à l'échelle micrométrique (c'est-à-dire ne devant pas excéder 1 mm).

Le dispositif décrit ci-dessus est destiné aux applications de récupération d'énergie par flux d'air. Il est clair toutefois qu'il peut aisément être adapté à de nombreuses autres applications (récupération d'énergie à partir de tout type de fluide en mouvement (flux liquide ou gazeux), sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de fabrication d'un micro-générateur mécano-électrique {100), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : former un empilement d'au moins une structure de base en couches minces, chaque structure de base étant obtenue en ; * déposant (200), sur un substrat mince électriquement conducteur (10) formant une électrode inférieure, une couche mince de matériau piézoélectrique (20), dite couche active ; * déposant (220), sur la couche active, une couche mince de matériau électriquement conducteur (30) formant une électrode supérieure ; encapsuler (230) ledit empilement dans une couche de revêtement mince (40) à base d'au moins un matériau polymère éiastiquement déformable.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre, pour chaque structure de base dudit empilement, une étape de traitement thermique (210) de la couche active déposée sur le substrat mince électriquement conducteur à une température prédéterminée pendant une durée prédéterminée, effectuée après ladite étape de dépôt de la couche mince active.
3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la couche active est formée d'une pluralité de sous-couches minces de matériau piézoélectrique, ladite étape de traitement thermique étant effectuée pour chaque sous-couche mince de matériau piézoélectrique déposée.
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre, pour chaque structure de base dudit empilement, une étape de dépôt, précédent ladite étape de dépôt de la couche active, d'une couche mince de matériau conducteur à base de dioxyde de ruthénium, sur le substrat mince.
5. 5, Procédé se km l'une quelconque des revendications 1 à 4. comprenant en outre une étape de formation, dans la couche de revêtement : d’un premier trou traversant s'étendant de la couche mince de matériau électriquement conducteur vers l'extérieur de la couche de revêtement, de façon à permettre un accès l'électrode supérieure, d'un deuxième trou traversant s'étendant du substrat mince de matériau électriquement conducteur vers l'extérieur de la couche de revêtement, de façon à permettre un accès à l'électrode inférieure.
6. 6, Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le matériau piézoélectrique de la couche active est une céramique à base de Zircono-Tîtanate de Plomb de formule Ρ^ΖΓχ,Τΐι.χ)θ3.
7. 7, Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le matériau polymère élastiquement déformable appartient au groupe comprenant : un polymère de type élastomère thermoplastique ; un polymère de type élastomère thermodurcissable.
8. 8, Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel ladite étape de dépôt d'une couche mince de matériau piézoélectrique est réalisée selon une technique de dépôt appartenant au groupe comprenant : dépôt par voie chimique en solution (CSD) ; dépôt par voie sol-gel ; dépôt par voie chimique en phase vapeur (CVD) ; dépôt physique par pulvérisation cathodique ; dépôt physique par ablation laser pulsé (PID).
9. 9, Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le substrat mince électriquement conducteur présente une épaisseur comprise entre 10 et 30 micromètres, la couche active présente une épaisseur comprise entre 1 et 200 micromètres et la couche mince de matériau électriquement conducteur présente une épaisseur comprise entre 20 nanomètres et 1 pm.
10. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la structure de base encapsulée présente une face inférieure et une face supérieure rectangulaires, chacune ayant une surface comprise entre 1 cm2 et 50 cm2.
11. 11, Micro-générateur mécano-électrique, caractérisé en ce qu'il comprend un empilement d'au moins une structure de base en couches minces, chaque structure de base comprenant une couche mince à base de dioxyde de ruthénium agencée sur une première couche mince de matériau électriquement conducteur formant une électrode inférieure, une couche mince de matériau piézoélectrique agencée entre la couche mince à base de dioxyde de ruthénium et une deuxième couche mince de matériau électriquement conducteur formant une électrode supérieure, ledit empilement étant encapsulée dans une couche de revêtement à base d'au moins un matériau polymère élastiquement déformable.