FR3044168A1 - Generateur a base de materiau piezoelectrique massif en structure souple - Google Patents
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Abstract
Générateur électrique comprenant une superposition incluant deux couches d'électrodes (1, 3), une couche de matériau piézoélectrique (2) d'épaisseur comprise entre 10 et 60 micromètres interposée entre les deux couches d'électrodes (1, 3) et une couche de substrat (4) supportant l'une des couches d'électrodes (1).
Description
Générateur à base de matériau piézoélectrique massif en structure souple L’invention relève du domaine des structures piézoélectriques souples et flexibles, en particuliers les générateurs et les ensembles électroniques comprenant de telles générateurs.
Les matériaux piézoélectriques massifs se positionnent parmi les solutions les plus efficaces en matière de génération d’énergie. Cette génération d’énergie peut se faire par pression ou par flexion du matériau.
Dans le cas d’une pression, plus le matériau piézoélectrique est épais plus l’énergie produite sera importante. Néanmoins, la pression qu’il est nécessaire d’appliquer augmente avec l’épaisseur, ce qui limite sont utilisation.
Dans le cas d’une flexion, la génération d’énergie augmente avec l’amplitude de la flexion, la flèche. Néanmoins, les matériaux piézoélectriques qui se présentent sous la forme de monocristaux ou de céramiques présentent une grande fragilité. Ce caractère fragile des céramiques et des monocristaux limite drastiquement la durée de vie et les conditions d’utilisation en flexion.
Il est connu de proposer des couches minces de matériaux piézoélectriques, d’épaisseur inférieure à quelques micromètres. De telles couches sont par exemple décrites dans US2012/0312456. Les épaisseurs très fines autorisent une flexibilité qui permet une génération d’énergie. Les procédés mis en œuvre impliquent l’utilisation d’installations du type salle blanche telle qu’utilisée dans le domaine des semi-conducteurs. De telles installations sont très coûteuses, en particulier dans un contexte de fabrication industrielle. Ceci induit des coûts rédhibitoires pour les applications nécessitant des fabrications en grandes séries.
Par ailleurs, le dépôt de couches minces induit également une structure cristalline complètement désorganisée du matériau obtenu. L’efficacité des matériaux piézoélectriques dépendant fortement de leurs structures cristallines, les propriétés piézoélectriques réelles des matériaux obtenus sont considérablement réduites par rapport aux propriétés théoriques basées sur des structures cristallines. L’invention vient améliorer la situation.
La Demanderesse propose un générateur électrique comprenant une superposition incluant : - une première couche d’électrode ; - une seconde couche d’électrode ; - une couche de matériau piézoélectrique, d’épaisseur comprise entre 10 et 60 micromètres interposée entre la première couche d’électrode et la seconde couche d’électrode ; et - une couche de substrat supportant la première couche d’électrode ou la seconde couche d’électrode.
Un tel générateur supporte des flexions d’amplitude élevée tout en présentant des propriétés piézoélectriques intrinsèques proches des propriétés théoriques. L’énergie mécanique peut être convertie en énergie électrique avec une efficacité améliorée. La résistance à la rupture et la durée de vie de tels générateurs sont améliorées.
Le générateur peut présenter les caractéristiques optionnelles suivantes, seules ou en combinaison les unes avec les autres : - les épaisseurs de la première couche d’électrode, de la seconde couche d’électrode, de la couche de matériau piézoélectrique et de la couche de substrat ainsi que leurs compositions respectives sont conjointement sélectionnées de sorte qu’une superposition présentant une longueur de cinq centimètres peut être courbée de manière réversible jusqu’à ce que les tangentes aux extrémités forment entre elles un angle supérieur à 10. Ceci permet l’utilisation du générateur dans de nombreuses applications et en particulier celles pour lesquelles des mouvements de grandes amplitudes sont présents et dont l’énergie mécanique peut alimenter le générateur. - la couche de matériau piézoélectrique comprend au moins un des matériaux suivants : - une céramique de titano-zirconate de plomb (PZT), - des monocristaux de : - titanate niobate magnésium de plomb (Pb(Mgi/3Nb2/3)o-x)Tix03 ; PMN-PT), - quartz (S1O2), - oxyde de zinc (ZnO), - titanate de baryum (BaTiCE), - niobate de strontium/baryum (SrxBa(i-x)Nb2C>6 ; SBN), - tantalate-niobate de potassium (KTao-x)Nbx03 ; KTN), - titanate niobate zinc de plomb (Pb(Zni/3Nb2/3)o-x)Tix03 ; PZN-PT), et de - niobate de lithium (LiNbCb). De tels matériaux présentent des propriétés piézoélectriques particulièrement efficaces. - la couche de matériau piézoélectrique présente une épaisseur comprise entre 20 et 40 micromètres. Une telle épaisseur confère à la superposition une grande capacité de déformation, notamment en flexion tout en permettant une efficacité énergétique suffisante pour l’alimentation d’une batterie. - l’une au moins de la première couche d’électrode et de la seconde couche d’électrode comprend du cuivre (Cu), du chrome (Cr), du titane (Ti), de l’aluminium (Al) et/ou de l’or (Au). Ces matériaux peuvent être aisément déposés par des techniques connues en tant que telles. - l’une au moins de la première couche d’électrode et de la seconde couche d’électrode présente une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,6 micromètres. De telles épaisseurs permettent de grandes déformations tout en présentant un faible risque d’apparition de détérioration et de défaut électriques suite à de nombreuses flexions. - la couche de substrat est réalisée à base de l’un au moins parmi du poly(4,4’-oxydiphénylène-pyromellitimide) (Kapton), du poly(téréphtalate d’éthylène) (PET), du poly(fluorure de vinylidène) (PVDF) et une feuille de métal laminée. De tels matériaux sont particulièrement adaptés pour subir de nombreuses déformations en présentant une bonne tenue en fatigue. - la couche de substrat présente une épaisseur comprise entre 13 et 65 micromètres. Une telle épaisseur confère à la superposition une grande capacité de déformation, notamment en flexion tout en supportant durablement les autres couches de la superposition. - la couche de matériau piézoélectrique présente un coefficient piézoélectrique supérieur à 100 pm/V. Un tel coefficient rend le générateur apte à des applications de fourniture d’énergie et non seulement à des fonctions de capteur.
Selon un second aspect de l’invention, la Demanderesse propose un ensemble électronique comprenant un générateur tel que défini ci-avant couplé à un accumulateur de sorte qu’une flexion de la superposition du générateur génère un stockage d’énergie par l’accumulateur.
La couche de substrat du générateur peut supporter au moins en partie l’accumulateur. Un tel montage est particulièrement compact. Il peut être intégré à de nombreux dispositif dont l’autonomie énergétique est recherchée.
Le générateur de l’ensemble peut être relié à un microcontrôleur agencé pour tirer des informations de pression et/ou de déformation de la superposition du générateur à partir d’un signal en sortie du générateur. L’ensemble peut alors former à la fois un capteur et une source d’énergie. L’ensemble électronique peut en outre comprendre un émetteur agencé pour transmettre des informations tirées d’un signal en sortie du générateur. De nombreux dispositifs peuvent être rendus autonomes énergétiquement et/ou communiquant.
Selon un second aspect de l’invention, la Demanderesse propose un procédé de fabrication d’un générateur comprenant les étapes suivantes : a) déposer sur une couche massive de matériau piézoélectrique une couche de matériau conducteur de manière à former une première couche d’électrode, b) fixer la superposition obtenue en a) sur un premier support de travail, c) amincir la couche massive de matériau piézoélectrique jusqu’à obtenir une couche massive de matériau piézoélectrique amincie d’épaisseur comprise entre 10 et 60 micromètres, d) déposer sur la couche massive de matériau piézoélectrique amincie de la superposition obtenue en c) une couche de matériau conducteur, e) fixer une couche de substrat sur un second support de travail, f) déposer sur la couche de substrat de la superposition obtenue en e) une couche de matériau conducteur, g) appliquer les couches de matériau conducteur déposées respectivement en d) et en f) l’une contre l’autre et presser les superpositions obtenues respectivement en d) et en f) jusqu’à obtenir une liaison moléculaire entre lesdites couches de matériau conducteur de manière à former une unique seconde couche d’électrode, et h) retirer les premier et second supports de travail.
La couche de matériau conducteur déposée en a) et/ou les deux couches de matériau conducteur déposées en d) et f) peuvent présenter une pluralité de zones isolées électriquement les unes des autres de manière à obtenir des plots de contact coplanaires. La connexion avec d’autres composants est facilitée.
Les étapes a) à d) peuvent être réalisées deux fois de manière à obtenir deux superpositions distinctes, les étapes e) à h) sont réalisées deux fois successivement sur une face de la couche de substrat puis sur la face opposée, respectivement avec l’une puis l’autre desdites deux superpositions distinctes. La superposition présente une efficacité doublée pour un faible encombrement et par une fabrication moins coûteuse que de réaliser deux superpositions. D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 montre une vue en perspective d’un générateur selon l’invention, - la figure 2 montre une vue en coupe d’un détail du générateur de la figure 1, - les figures 3A à 3H montrent des étapes d’un procédé de fabrication d’un générateur selon l’invention, - les figures 4 à 7 montrent chacune un mode de réalisation d’un générateur selon l’invention, - la figure 8 montre un graphique schématique d’un signal en sortie du générateur en fonction des déformations qui lui sont appliquées, - la figure 9 montre un ensemble électronique selon l’invention équipé d’un générateur selon l’invention, - la figure 10 est un graphique représentant un signal en sortie de l’ensemble de la figure 9 en fonction des déformations qui sont appliquées au générateur, et - les figures 11 et 12 montrent chacune un mode de réalisation d’un ensemble selon l’invention.
Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l’essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
Dans le domaine des piézoélectriques, le terme « mince(s) » désigne généralement des couches ou structures d’épaisseur allant de quelques centaines de nanomètres jusqu’à quelques micromètres, environ 3 pm. Le terme « massif(s) » désigne au contraire des couches ou structures d’épaisseur au moins égales à une dizaine de micromètres et pouvant atteindre jusqu’à plusieurs centaines de micromètres. Dans la suite, ces définitions sont respectées.
Il est fait référence aux figures 1 et 2 qui représentent un générateur électrique sous la forme d’une superposition de plusieurs couches. La superposition comprend : - une première couche d’électrode 1 ; - une couche de matériau piézoélectrique 2 ; - une seconde couche d’électrode 3 ; et - une couche de substrat 4.
La première couche d’électrode 1 et la seconde couche d’électrode 3 présentent chacune une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,6 micromètres. Ici, la première couche d’électrode 1 présente une épaisseur d’environ 0,2 micromètre (2 000 Â) tandis que la seconde couche d’électrode 3 présente une épaisseur d’environ 0,4 micromètre (4 000 Â). Dans l’exemple décrit ici, la première couche d’électrode 1 et la seconde couche d’électrode 3 comprennent des composants conducteurs, seuls ou en couches superposées, par exemple du cuivre (Cu), du chrome (Cr), du titane (Ti), de l’aluminium (Al) et/ou de l’or (Au).
La couche de matériau piézoélectrique 2 présente une épaisseur comprise entre 10 et 60 micromètres, de préférence entre 20 et 40 micromètres. Dans l’exemple décrit ici, l’épaisseur est d’environ 30 micromètres. La couche de matériau piézoélectrique 2 du générateur forme donc une structure massive.
La couche de matériau piézoélectrique 2 comprend l’un au moins parmi : - une céramique de titano-zirconate de plomb (PZT), - des monocristaux de : - titanate niobate magnésium de plomb (Pb(Mgi/3Nb2/3)(i-x)TixC>3 ; PMN-PT), - quartz (S1O2), - oxyde de zinc (ZnO), - titanate de baryum (BaTiCb), - niobate de strontium/baryum (SrxBa(i-X)Nb206 ; SBN), - tantalate-niobate de potassium (KTa(i-X)Nbx03 ; KTN), - titanate niobate zinc de plomb (Pb(Zni/3Nb2/3)(i-x)Tix03 ; PZN-PT), et de - niobate de lithium (LiNbCb).
Dans l’exemple décrit ici, la couche de matériau piézoélectrique 2 est réalisée à base de céramique PZT.
La couche de matériau piézoélectrique 2 est prise en sandwich entre les deux couches d’électrodes 1 et 3.
La couche de substrat 4 supporte la superposition des trois autres couches. Elle est ici disposée sous la seconde couche d’électrode 3. La couche de substrat 4 présente une épaisseur comprise entre 13 et 65 micromètres, ici environ 30 micromètres. La couche de substrat 4 présente une structure et une composition agencées pour lui conférer une grande souplesse et faciliter la flexibilité de la superposition. Elle peut être électriquement conductrice ou isolante. Par exemple, la couche de substrat 4 peut être réalisée à base d’une feuille métallique laminée. La couche de substrat 4 peut aussi être réalisée à base de polymères tels que du poly(4,4’-oxydiphénylène-pyromellitimide), aussi connu sous la dénomination commerciale « Kapton », du poly(téréphtalate d’éthylène) ou PET, du poly(fluorure de vinylidène) ou PVDF). La couche de substrat 4 peut aussi présenter un assemblage de plusieurs matériau, par exemple sous la forme d’un multicouche.
La couche de substrat 4 peut en variante présenter une ou deux de ses faces principales recouvertes de métal conducteur, par exemple du cuivre. De tels revêtements peuvent par exemple faciliter l’adhésion avec la couche d’électrode de la superposition, notamment en fonction des matériaux mis en œuvre.
La superposition des quatre couches présente une épaisseur totale comprise entre environ 23 et 125 micromètres.
Dans l’exemple de la figure 1, la première couche d’électrode 1 est pleine sur toute sa surface. Autrement dit, elle comporte une unique zone. En variante, la première couche d’électrode, formant l’électrode supérieure sur les figures, peut présenter des organisations différentes et comprendre une pluralité de zones isolées électriquement les unes des autres de manière à former des plots de contact coplanaires. Des exemples de telles organisations sont représentés aux figures 4, 5 et 7. Les zones de la première couche d’électrode 1 sont alors référencées IA, IB, IC, etc. De manière similaire, la seconde couche d’électrode 3 peut aussi présenter des zones isolées électriquement les unes des autres. De telles zones sont représentées sur les figures 1, 4, 5, 6 et 8. Ces zones sont référencées 3A, 3B, 3C, etc. En variante, la seconde couche d’électrode 3 peut être pleine.
En fonctionnement, une zone de la première couche d’électrode 1 et une zone de la seconde électrode 3 en regard l’une de l’autre de part et d’autre de la couche de matériau piézoélectrique 2 forment un couple. Chaque couple est associé à une position dans le plan principal du générateur. Il est alors possible d’associer une mesure électrique ou une génération d’énergie à un emplacement du générateur dans son plan principal. En fonction des applications prévues, la configuration des zones est adaptée. Ce type d’organisation est particulièrement adapté pour des applications de capteur de déformation.
Pour ce faire, chaque couple est relié électriquement à un circuit et des composants distincts du générateur.
Comme cela apparaît sur les figures, la première couche d’électrode 1 présente ici une face libre. La relier électriquement à des composants externes ne pose pas de difficulté particulière. La seconde couche d’électrode 3 est au contraire emprisonnée entre la couche de matériau piézoélectrique 2 et la couche de substrat 4. Pour faciliter les branchements avec une circuiterie externe, une petite portion de branchement d’une face de la seconde couche d’électrode 3 est laissée libre, non recouverte par la couche de matériau piézoélectrique 2, et forme un plot de connexion de sorte que la seconde couche d’électrode 3 peut aisément être reliée électriquement à d’autres composants. La seconde couche d’électrode 3 étant formée d’une unique zone, elle forme alors la masse commune à chacun des couples répartis dans le plan principal du générateur. La portion laissée libre forme alors plot-masse. Le plot masse est référencé 3B en figure 1, 3D en figure 4, 3J en figure 53B en figure 6. D’autres plots isolés les uns les autres et isolés de la seconde couche d’électrode 3 sont agencés adjacents au plot-masse. Ces plots sont, ici, au moins aussi nombreux que le nombre de zones prévues dans la première couche d’électrode 1. Chacun de ces plots forme alors un intermédiaire de connexion pour une zone respective de la première couche d’électrode. Par exemple, en figure 4, le plot référencé 3A est relié électriquement à la zone IA, le plot référencé 3B est relié électriquement à la zone IB, le plot référencé 3C est relié électriquement à la zone IC. Ces liaisons peuvent, par exemple, être réalisées au moyen d’un fil conducteur. Ainsi, lorsque le générateur 1 est intégré dans un ensemble électronique, les plots, dont le plot-masse sont localement regroupés, ce qui permet de faciliter les connexions et réduire l’encombrement.
Il est maintenant fait référence aux figures 3A à 3H représentant des étapes de fabrication d’un générateur, par exemple l’un de ceux décrit ci-avant.
Dans une première étape a), dont le résultat est représenté en figure 3 A, un matériau massif piézoélectrique 201 est recouvert d’une couche formant électrode 101 sur une de ses faces principales. Le matériau massif piézoélectrique 201 présente une épaisseur initiale supérieure à 500 micromètres. A l’issu du procédé, la couche formant électrode 101 formera la première couche d’électrode 1 telle que décrite ci-avant. La couche formant électrode 101 présente ici une épaisseur d’environ 0,2 micromètre (2 000 Â). Le dépôt métallique peut être réalisé sous vide par dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD).
Dans une seconde étape b), dont le résultat est représenté en figure 3B, la superposition 101, 201 obtenue à l’étape a) est fixée sur un premier support de travail 601. La face libre de la couche formant électrode 101 est appliquée contre le premier support de travail 601 tandis que la face opposée du matériau massif piézoélectrique 201 est laissée libre. Le premier support de travail 601 présente, ici, une épaisseur supérieure à 2 millimètres. Dans l’exemple décrit ici, il prend la forme d’une lame de verre. De manière générale, le premier support de travail 601 est agencé pour faciliter la manipulation de la superposition lors des étapes ultérieures. Des plots de fixation 501 maintiennent la superposition 101, 201 sur le premier support de travail 601. Les plots de fixation 501 sont agencés pour ne pas gêner les étapes de procédé qui vont suivre.
Dans une troisième étape c), dont le résultat est représenté en figure 3C, le matériau massif piézoélectrique 201 est aminci depuis sa face libre. Cet amincissement est ici réalisé par une opération de rodage/polissage traditionnel. Il en résulte une couche de matériau piézoélectrique amincie 202. Bien qu’amincie par rapport au matériau massif piézoélectrique 201 initial, la couche de matériau piézoélectrique amincie 202 reste massive. L’épaisseur de cette dernière est adaptée en fonction de l’application prévue. Ici, elle est amincie jusqu’à atteindre environ 30 micromètres. Durant cette étape, la couche formant électrode 101 reste inchangée, sous la couche de matériau piézoélectrique amincie 202.
Dans une quatrième étape d), dont le résultat est représenté en figure 3D, la face de la couche de matériau piézoélectrique amincie 202 opposée à celle portant la couche formant électrode 101 est à son tour recouverte d’une couche formant électrode 301, c’est-à-dire sur la face qui a subi l’amincissement à l’étape c). À l’issu du procédé, la couche formant électrode 301 formera une partie de la seconde couche d’électrode 3 telle que décrite ci-avant. La couche formant électrode 301 présente ici une épaisseur d’environ 0,2 micromètre (2 000 Â). Le dépôt métallique peut être réalisé sous vide par dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD).
La superposition obtenue en fin d’étape d) est conservée pour être utilisée dans l’étape g) décrite ci-après.
Dans une cinquième étape e), dont le résultat est représenté en figure 3E, une couche de substrat 4 est fixée sur un second support de travail 602. Le second support de travail 602 est, ici, similaire au premier support de travail 601. Des lèvres de fixation 7 maintiennent la couche de substrat 4 sur le second support de travail 602. Les lèvres de fixation 7 sont agencées pour ne pas gêner les étapes de procédé qui vont suivre.
Dans une sixième étape f), dont le résultat est représenté en figure 3F, la couche de substrat 4 est recouverte d’une couche formant électrode 302 sur sa face principale libre, celle opposée au second support de travail 602. A l’issu du procédé, la couche formant électrode 302 formera en combinaison avec la couche formant électrode 301 la seconde couche d’électrode 3 telle que décrite ci-avant. La couche formant électrode 302 présente ici une épaisseur d’environ 0,2 micromètre (2 000 Â). Le dépôt métallique peut être réalisé sous vide par dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD).
Dans une septième étape g) représentée en figure 3 G, la superposition obtenue en étape d) et celle obtenue en étape f) sont assemblées l’une avec l’autre, ici par pressage à froid (« cold welding » en anglais). Les deux couches formant électrode 301 et 302 sont appliquées l’une contre l’autre. Les deux superpositions sont pressées l’une contre l’autre jusqu’à obtenir une liaison moléculaire entre les deux couches formant électrode 301 et 302. Les conditions de pressage sont adaptées en fonction des matériaux mis en œuvre. Elles fusionnent alors l’une avec l’autre de sorte que les deux superpositions sont fixées l’une à l’autre et qu’une unique seconde couche d’électrode 3 soit formée. L’épaisseur de la seconde couche d’électrode 3 correspond alors sensiblement à la somme des épaisseurs des couches formant électrode 301 et 302, soit ici environ 0,4 micromètres (4 000 Â).
Dans les cas de zones séparées et isolées sur le même plan comme illustrés aux figures 1, 4, 5, 6 et 7, les zones sont modelées lors des opérations de dépôt, préalablement à l’assemblage par pressage.
Dans une huitième étape h) représentée en figure 3H, la superposition obtenue en fin d’étape g) est libérée des supports de travail 601 et 602. Lors de l’extraction des supports de travail 601, 602, les techniques physiques ou chimiques mises en œuvre sont adaptées en fonction des matériaux utilisés.
Les étapes a) à d) d’une part et les étapes e) et 1) d’autre part peuvent être réalisées indépendamment. En variante, l’étape d’amincissement peut être réalisée en amont des autres étapes, par exemple par un fournisseur tiers, différent de celui mettant en œuvre les autres étapes.
Il est maintenant fait référence à la figure 7. Dans ce mode de réalisation, les deux faces de la couche de substrat 4 comprennent, préalablement à la mise en œuvre du procédé ci-avant, des zones de conductivité électrique. Les étapes a) à d) sont réalisée deux fois de manière à obtenir deux superpositions distinctes correspondant au produit en fin d’étape d). Ensuite, les étapes e) à h) sont réalisées deux fois successivement, sur une face de la couche de substrat 4 puis sur la face opposée, respectivement avec l’une puis l’autre des deux superpositions distinctes obtenues en fin d’étapes d).
Il est alors obtenu un générateur tel que représenté en figure 7 pour lequel deux couches de piézoélectrique sont supportées par une couche de substrat 4 commune.
Les générateurs tels que décrits jusqu’ici présentent un comportement en déformation particulièrement flexible. La Demanderesse a mesuré l’angle de flexion permis sur des générateurs présentant une forme sensiblement rectangulaire telle que représentée en figure 1, et d’une longueur d’environ 5 centimètres. Un angle d’au moins 10°, voire 45° en valeur absolue peut être atteint tout en restant dans le domaine élastique de la superposition. Autrement dit, une telle flexion reste réversible. Les propriétés intrinsèques du générateur, notamment piézoélectriques, sont préservées. Par flexion de 45°, on entend ici que la tangente à une extrémité de la forme rectangulaire de la superposition forme un angle de ±45° avec la direction au repos de la superposition tandis que l’extrémité opposée est bloquée, comme cela est représenté sur la figure 8. Des flexions répétées à des angles de ± 60° et même ± 90° ont pu être atteintes sans que des dégradations de l’efficacité du générateur ne soient constatées.
Il est maintenant fait référence à la figure 8 sur laquelle des courbes représentent les résultats obtenus en sortie du générateur en fonction des déformations subies. En ordonnée du graphique de la figure 8 sont représentés sur une double échelle les états de tension et de courant générés aux cours de quatre phases de déformation.
La première phase correspond à une première flexion vers le haut avec un angle d’environ 60°. On observe les évolutions de la tension et du courant. La tension atteint un maximum de +5 volts en position d’angle maximum et le courant atteint +9 μ A très rapidement puis stagne à + 9μΑ avant de revenir à 0, lorsqu’il n’y a plus de mouvement de flexion.
La seconde phase correspond au retour à la position initiale, au repos. La flexion se fait alors dans l’autre sens. La tension revient à 0 volt avec le déplacement et le courant évolue de la même façon que lors de la première phase avec un signe opposé car il est dépendant du sens du mouvement.
Les phases 3 et 4 sont respectivement les mêmes que les phases 1 et 2, mais les mouvements de flexion sont opérés dans le sens opposé. Les mêmes comportements en tension et courant sont observés mais avec des signes opposés.
Il est maintenant fait référence à la figure 9 qui représente schématiquement un ensemble électronique prévu pour coopérer avec un générateur tel que décrit ci-avant. L’ensemble comprend un circuit électronique incluant au moins un redresseur de tension électronique 5, un sous-ensemble de traitement 6 incluant au moins un microcontrôleur pour le traitement et la gestion des tensions et courants de sortie, une batterie/capacité de stockage 7 de l’énergie, un connecteur de sortie +Vs et un connecteur de masse. Dans l’exemple décrit ici, la zone 3 A du générateur de la figure 1 est connectée à l’entrée +Vin de l’ensemble de la figure 9 tandis que la zone 3B du générateur de la figure 1 est connectée à l’entrée -Vin de l’ensemble de la figure 9. L’énergie mécanique de la flexion du générateur est transformée en énergie électrique par effet piézoélectrique direct et stockée dans la batterie/capacité 7. L’énergie stockée est restituée à travers le connecteur de sortie +Vs et la masse à un dispositif électronique non représenté ici.
La Figure 11 est un schéma représentant un ensemble incluant un générateur similaire à celui de la figure 1 et dans lequel la couche de substrat 4 reçoit en outre un pont redresseur 5. Le pont redresseur 5 est ici de type CMS et est directement fixé sur le substrat 4. Le pont redresseur 5 s’intercale entre les zones 3A et 3B du générateur et deux connecteurs de sortie 3AR et 3BR. La figure 10 illustre les tensions et courants redressés obtenus en sortie sur les connecteurs de sortie 3AR et 3BR. Les courants et tensions en sortie sont tous de signe positif, indépendamment du sens de la déformation du générateur 1. Les sorties 3AR et 3BR peuvent donc alimenter directement des organes de stockage d’énergie tels que des batteries. Les sorties 3AR et 3BR peuvent être reliées à un dispositif électronique non représenté pour l’alimenter en énergie et/ou fournir un signal représentatif de la déformation de la superposition. Le générateur forme dans ce cas un capteur de déformation.
La Figure 12 représente un ensemble pour lequel un sous-ensemble correspondant à l’ensemble de la figure 9 est fixé intégralement sur la couche de substrat 4 d’un générateur. Le fonctionnement est sensiblement similaire mais présente un encombrement particulièrement limité qui favorise des implémentations dans des objets légers, par exemple des vêtements.
Les générateurs et les ensembles équipés de tels générateurs présentent une structure générale souple, flexible et légère. Ils mettent en œuvre l’effet piézoélectrique direct avec une efficacité proche des possibilités théoriques des structures piézoélectriques massives, efficacité très supérieure à celle des couches minces. A titre de comparaison, le coefficient D33 d’un matériau piézoélectrique massif présente généralement une valeur d’environ 400 pm/V. Le même matériau en couche mince présente généralement un coefficient d’une valeur d’environ 20 pm/V, soit vingt fois inférieur. La Demanderesse a observé sur les générateurs tels que décrits ici des coefficients piézoélectriques supérieures à 100 pm/V (ou 100 pC/N), soit nettement supérieurs à ceux des couches minces, comparables à ceux des matériaux massifs non flexibles.
En association avec un organe de communication, par exemple du type USB, Wifi, Bluetooth, RFID ou Infrarouge, de tels générateurs permettent de rendre communiquant de nombreux dispositifs électroniques sans que cela ne vienne nuire à l’autonomie énergétique. L’augmentation de la consommation électrique induite par les organes de communication étant au moins en partie compensée par l’énergie produite par le générateur à partir d’énergie mécanique déjà disponible mais habituellement non utilisée.
Les générateurs peuvent faire office de capteur de pression et/ou de déformation totalement ou partiellement autonome énergétiquement, et optionnellement communiquant.
Les générateurs sont particulièrement adaptés aux dispositifs de récolte d’énergie de type portable ou implantable, comme les générateurs logés dans les semelles de chaussures, ou encore les dispositifs implantables qui récoltent de l’énergie à partir des mouvements respiratoires des utilisateurs.
Des dispositifs portables ou ambulatoires, généralement appelés « wearables », peuvent devenir énergétiquement autonomes ou presque. L’opération de recharge d’une batterie par un branchement à une source externe telle que le secteur devient inutile ou très rare.
Les générateurs sont adaptés aux mouvements humains tels que la marche et la course à pied. Ils peuvent être aisément intégrés à des vêtements. Ils respectent les critères généralement admis comme nécessaires à ce type d’application, notamment la légèreté, la miniaturisation, la souplesse, la robustesse et les coûts de fabrication.
La structure du générateur et son procédé de fabrication décrits ici permettent d’exploiter une structure massive de matériau piézoélectrique - dont les propriétés intrinsèques sont largement plus élevées que celles des couches minces - en mode de fonctionnement flexible adapté aux mouvements de l’homme.
La structure du générateur est réalisée à base de matériaux massifs dont les propriétés intrinsèques sont conservées au cours du processus de fabrication. La solution proposée constitue un moyen efficace supportant l’utilisation de matériaux céramique ou monocristaux piézoélectriques en régime de flexion, tout en offrant de grandes performances en génération d’énergie grâce aux propriétés piézoélectrique massives conservées. L’invention ne se limite pas aux exemples de générateurs et d’ensembles décrits ci-avant, seulement à titre d’exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l’homme de l’art dans le cadre des revendications ci-après.
Claims (16)
- Revendications1. Générateur électrique comprenant une superposition incluant : - une première couche d’électrode (1) ; - une seconde couche d’électrode (3) ; - une couche de matériau piézoélectrique (2), d’épaisseur comprise entre 10 et 60 micromètres interposée entre la première couche d’électrode (1) et la seconde couche d’électrode (3) ; et - une couche de substrat (4) supportant la première couche d’électrode (1) ou la seconde couche d’électrode (3).
- 2. Générateur (1) selon la revendication 1, dans lequel les épaisseurs de la première couche d’électrode (1), de la seconde couche d’électrode (3), de la couche de matériau piézoélectrique (2) et de la couche de substrat (4) ainsi que leurs compositions respectives sont conjointement sélectionnées de sorte qu’une superposition présentant une longueur de cinq centimètres peut être courbée de manière réversible jusqu’à ce que les tangentes aux extrémités forment entre elles un angle supérieur à 10°.
- 3. Générateur (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la couche de matériau piézoélectrique (2) comprend au moins un des matériaux suivants : - une céramique de titano-zirconate de plomb (PZT), - des monocristaux de : - titanate niobate magnésium de plomb (Pb(Mgi/3Nb2/3)(i-x)Tix03 ; PMN-PT), - quartz (S1O2), - oxyde de zinc (ZnO), - titanate de baryum (BaTiCb), - niobate de strontium/baryum (SrxBa(i-X)Nb206 ; SBN), - tantalate-niobate de potassium (KTa(i-X)Nbx03 ; KTN), - titanate niobate zinc de plomb (Pb(Zni/3Nb2/3)(i-X)TixC>3 ; PZN-PT), et de - niobate de lithium (LiNbCb).
- 4. Générateur (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la couche de matériau piézoélectrique (2) présente une épaisseur comprise entre 20 et 40 micromètres.
- 5. Générateur (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’une au moins de la première couche d’électrode (1) et de la seconde couche d’électrode (3) comprend du cuivre (Cu), du chrome (Cr), du titane (Ti), de l’aluminium (Al) et/ou de l’or (Au).
- 6. Générateur (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’une au moins de la première couche d’électrode (1) et de la seconde couche d’électrode (3) présente une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,6 micromètres.
- 7. Générateur (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la couche de substrat (4) est réalisé à base de l’un au moins parmi du poly(4,4’-oxydiphénylène-pyromellitimide) (Kapton), du poly(téréphtalate d’éthylène) (PET), du poly(fluorure de vinylidène) (PVDF) et une feuille de métal laminée.
- 8. Générateur (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la couche de substrat (4) présente une épaisseur comprise entre 13 et 65 micromètres.
- 9. Générateur (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la couche de matériau piézoélectrique (2) présente un coefficient piézoélectrique supérieur à 100 pm/V.
- 10. Ensemble électronique comprenant un générateur (1) selon l’une des revendications précédente couplé à un accumulateur de sorte qu’une flexion de la superposition du générateur (1) génère un stockage d’énergie par l’accumulateur.
- 11. Ensemble selon la revendication 10, dans lequel la couche de substrat (4) du générateur (1) supporte au moins en partie l’accumulateur.
- 12. Ensemble électronique comprenant un générateur (1) selon l’une des revendications 1 à 9 relié à un microcontrôleur agencé pour tirer des informations de pression et/ou de déformation de la superposition du générateur (1) à partir d’un signal en sortie du générateur (1).
- 13. Ensemble électronique selon l’une des revendications 10 à 12 comprenant en outre un émetteur agencé pour transmettre des informations tirées d’un signal en sortie du générateur (1).
- 14. Procédé de fabrication d’un générateur (1) comprenant les étapes suivantes : a) déposer sur une couche massive de matériau piézoélectrique (201) une couche de matériau conducteur (101) de manière à former une première couche d’électrode (1), b) fixer la superposition obtenue en a) sur un premier support de travail (601), c) amincir la couche massive de matériau piézoélectrique jusqu’à obtenir une couche massive de matériau piézoélectrique amincie (202) d’épaisseur comprise entre 10 et 60 micromètres, d) déposer sur la couche massive de matériau piézoélectrique amincie (202) de la superposition obtenue en c) une couche de matériau conducteur (301), e) fixer une couche de substrat (4) sur un second support de travail (602), f) déposer sur la couche de substrat (4) de la superposition obtenue en e) une couche de matériau conducteur (302), g) appliquer les couches de matériau conducteur (301, 302) déposées respectivement en d) et en f) l’une contre l’autre et presser les superpositions obtenues respectivement en d) et en f) jusqu’à obtenir une liaison moléculaire entre lesdites couches de matériau conducteur (301, 302) de manière à former une unique seconde couche d’électrode (3), et h) retirer les premier et second supports de travail (601, 602).
- 15. Procédé selon la revendication 14 dans lequel la couche de matériau conducteur (101) déposée en a) et/ou les deux couches de matériau conducteur (301, 302) déposées en d) et 1) présentent une pluralité de zones isolées électriquement les unes des autres de manière à obtenir des plots de contact coplanaires (1 A, IB, IC ; 3A, 3B, 3C).
- 16. Procédé selon l’une des revendications 14 et 15 dans lequel les étapes a) à d) sont réalisées deux fois de manière à obtenir deux superpositions distinctes, les étapes e) à h) sont réalisées deux fois successivement sur une face de la couche de substrat (4) puis sur la face opposée, respectivement avec l’une puis l’autre desdites deux superpositions distinctes.
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- 2015-11-20 FR FR1561189A patent/FR3044168A1/fr active Pending
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2016
- 2016-11-18 WO PCT/FR2016/053013 patent/WO2017085425A1/fr active Application Filing
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| WO2017085425A1 (fr) | 2017-05-26 |
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