Généralité sur la récupération de l’énergie

La récupération de l’énergie ou « Energy Harvesting » en anglais représente l’ensemble des techniques utilisées pour récolter l’énergie de l’environnement qui est par défaut perdue. L’homme a commencé à s’intéresser à la récupération de l’énergie depuis le moyen âge ou les moulins à vent et à eau ont été très utilisés. De nos jours, l’intérêt de plus en plus grandissant des recherches dans le domaine de la récupération de l’énergie a fait naître des techniques plus perfectionnées pour la récupération de l’énergie solaire, éolienne, géothermique, hydraulique, etc… Pour ces dernières, l’ordre des puissances générées est de l’ordre du Kilowatts (kW) au Mégawatt (MW). Néanmoins, la course à la miniaturisation a fait naître de ce concept de récupération de l’énergie un domaine de pointe faisant appel à des dispositifs microsystème (MEMS) permettant justement de convertir une vibration ambiante en énergie électrique, c’est justement ce qui nous intéresse dans ce travail.  l’ordre de grandeur des puissances générées sera plutôt de l’ordre du µW au mW. En arrivant à sortir de telles puissances, plusieurs applications peuvent êtres visées tels que des applications médicales par exemple (pacemaker, application auditives, etc…). Grâce à de tels dispositifs, nous pouvons rendre n’importe quel système autonome éliminant ainsi les problèmes d’autonomies, d’usures de batteries et de câblages que nous pouvons rencontrer sur les systèmes « classiques ».

La récupération de l’énergie est devenue un axe de recherches très attractif ces dernières années. Cette technologie consiste tous simplement à transformer une énergie (mécanique, thermique, éolienne, etc…) en énergie le plus souvent électrique. Elle est utilisée dans des domaines allant de l’échelle industrielle à une échelle miniature (Microsystèmes – MEMS).

Les sources de récupération de l’énergie

Il existe différentes formes d’énergies dans notre environnement pouvant être exploités, soit à une échelle industrielle ou bien à une échelle microsystème (MEMS). C’est justement ce domaine qui nous intéresse. En exploitant ces énergies, nous pouvons accroître l’autonomie de certains dispositifs et les rendre plus autonomes .

Pour pouvoir transformer ou récupérer une énergie, il est impératif de passer par une technique de transduction. Cette technique de transduction conditionne les performances de notre dispositif. Ainsi, il existe plusieurs types de transduction pouvant servir à la récupération de l’énergie. Quelque unes seront présentées dans ce qui suit.

Transduction de l’énergie 

Un transducteur est un système qui transforme l’énergie reçue sous une forme donnée (mécanique, thermique, lumineuse, etc…) en énergie utilisable sous une forme différente (acoustique, électrique, …).

Les techniques de transduction de l’énergie

L’intérêt grandissant des chercheurs envers la récupération de l’énergie a mis en évidence une multitude de techniques de transduction pouvant être utilisées à cet effet. Ainsi, dans le cas de la récupération d’une énergie mécanique, nous pouvons trouver des systèmes à base de transduction magnétique, transduction électrostatique, transduction thermique et transduction piézoélectrique. Une brève description sur ces techniques ainsi que leurs avantages et inconvénients seront donnés dans la partie qui suit.

Récupération de l’énergie électrostatique

Cette technique de transduction repose essentiellement sur l’utilisation d’une capacité variable. Ainsi, deux armatures fixes sont mises en vis-à-vis, l’une est mobile alors que l’autre est fixe. Soit la charge des armatures est fixe (auquel cas la tension varie avec l’écartement entre les armatures), soit la tension entre les armatures est fixe .

Récupération de l’énergie Électromagnétique 

Cette technique de transduction repose sur l’utilisation d’un aimant et une bobine. En général, un des éléments est mobile alors que l’autre est fixe. Le mouvement de l’élément mobile fait varier le champ magnétique et donc le courant traversant la bobine varie aussi .

Récupération de l’énergie piézoélectrique

Cette technique est généralement basée sur l’utilisation de ce qu’on appelle une micropoutre encastrée libre intégrant un matériau piézoélectrique. Ce dernier sous l’effet de vibrations ou contraintes va générer une tension en sortie .

Les modes de déformation d’un matériau piézoélectrique sont :
• Le mode longitudinal : C’est le mode d33, correspond au cas où la direction du champ appliqué et la déformation sont dans le même sens.
• Le mode transversal : C’est le mode d31, correspond au cas où l’axe de polarisation est perpendiculaire à l’axe de déformation du matériau. Ce mode est le plus simple à réaliser, nécessitant une électrode inférieure et supérieure.
• Le mode de cisaillement : C’est le mode d15, correspond au cas où le champ appliqué est Perpendiculaire à la polarisation du matériau.

Le mode de couplage utilisé conditionne les performances de notre matériau piézoélectrique et par conséquent les performances du récupérateur de l’énergie. Pour des raisons de simplicité de réalisation, c’est généralement le mode d31 qui est le plus utilisé. Ces performances dépendent aussi du matériau piézoélectrique utilisé. Plusieurs matériaux piézoélectriques sont utilisés dans la littérature. Dans ce qui suit nous allons présenter quelques-uns des plus connus. Nous fixerons ensuite notre choix par rapport à ce dernier.

Matériaux piézoélectrique

IL existe plusieurs types de matériaux piézoélectriques pouvant servir à la récupération de l’énergie. Nous pouvons citer :
• Pérovskite : PZT (Titano-Zirconates de Plomb) PZT-5A ; PZT-5H
• Le polymère (PVDF)
• Le wurtzite : l’oxyde de zinc ZnO et le Nitrure d’aluminium AlN.

Le PZT :
Les céramiques sont les matériaux les plus utilisés dans les applications piézoélectriques. Il existe plusieurs compositions de céramique qui ont des propriétés électrique et mécanique différente pour s’adapté à une application particulière. Les céramiques les plus connues sont à base de PZT (plomb, zircoranate, titanate). C’est solution solide composée de deux pérovskites [PbTiO3 et PbZrO3] notée sous la forme de [Pb (Ti, Zr) O3] et plus connue sous le nom de PZT.

Le Polymère PVDF :
Le PVDF (Fluorure Polyvinylidene) est le polymère le plus connu et le plus utilisé pour les applications piézoélectriques. C’est un polymère semi-cristallin qui est produit sous forme de feuilles qui sont étirées et polarisées. Cette phase d’étirage aligne les chaînes amorphes et facilite la rotation des cristallites sous champ électrique. Quand un champ électrique est appliqué, nous assistons à une augmentation ou une diminution de l’épaisseur de la feuille en fonction de son orientation .

Wurtzite (AlN et ZnO)
Ce sont des semi-conducteurs piézoélectriques qui sont très utilisés dans les nanostructures grâce à leurs propriétés. Les wurtzites les plus connue et les plus utilisé dans les applications piézoélectriques sont AlN et ZnO. Ces deux matériaux ne sont pas ferroélectriques mais ce sont des matériaux pyroélectriques .

Afin de faire un choix sur un matériau piézoélectrique que nous utiliserons par la suite, il est nécessaire de comparer ces matériaux en termes de coefficients piézoélectriques.