Développement de récupérateurs d'énergie vibratoire par piézoélectricité avec masse sismique en tungstène intégrée au niveau de la tranche pour l'alimentation de capteurs sans-fil autonomes ultra-faible puissance

La génération d’énergie localisée et à petite échelle, par transformation de l’énergie vibratoire disponible dans l’environnement, est une solution attrayante pour améliorer l’autonomie de certains noeuds de capteurs sans-fil pour l’Internet des objets (IoT). Grâce à des microdispositifs inertiels résonants piézoélectriques, il est possible de transformer l’énergie mécanique en électricité. Cette thèse présente une étude exhaustive de cette technologie et propose un procédé pour fabriquer des microgénérateurs MEMS offrant des performances surpassant l’état de l’art. On présente d’abord une revue complète des limites physiques et technologiques pour identifier le meilleur chemin d’amélioration. En évaluant les approches proposées dans la littérature (géométrie, architecture, matériaux, circuits, etc.), nous suggérons des métriques pour comparer l’état de l’art. Ces analyses démontrent que la limite fondamentale est l’énergie absorbée par le dispositif, car plusieurs des solutions existantes répondent déjà aux autres limites. Pour un générateur linéaire résonant, l’absorption d’énergie dépend donc des vibrations disponibles, mais aussi de la masse du dispositif et de son facteur de qualité. Pour orienter la conception de prototypes, nous avons réalisé une étude sur le potentiel des capteurs autonomes dans une automobile. Nous avons évalué une liste des capteurs présents sur un véhicule pour leur compatibilité avec cette technologie. Nos mesures de vibrations sur un véhicule en marche aux emplacements retenus révèlent que l’énergie disponible pour un dispositif linéaire résonant MEMS se situe entre 30 à 150 Hz. Celui-ci pourrait produire autour de 1 à 10 μW par gramme. Pour limiter la taille d’un générateur MEMS pouvant produire 10 μW, il faut une densité supérieure à celle du silicium, ce qui motive l’intégration du tungstène. L’effet du tungstène sur la sensibilité du dispositif est évident, mais nous démontrons également que l’usage de ce matériau permet de réduire l’impact de l’amortissement fluidique sur le facteur de qualité mécanique Qm. En fait, lorsque l’amortissement fluidique domine, ce changement peut améliorer Qm d’un ordre de grandeur, passant de 103 à 104 dans l’air ambiant. Par conséquent, le rendement du dispositif est amélioré sans utiliser un boîtier sous vide. Nous proposons ensuite un procédé de fabrication qui intègre au niveau de la tranche des masses de tungstène de 500 μm d’épais. Ce procédé utilise des approches de collage de tranches et de gravure humide du métal en deux étapes. Nous présentons chaque bloc de fabrication réalisé pour démontrer la faisabilité du procédé, lequel a permis de fabriquer plusieurs prototypes. Ces dispositifs ont été testés en laboratoire, certains démontrant des performances records en terme de densité de puissance normalisée. Notre meilleur design se démarque par une métrique de 2.5 mW-s-1/(mm3(m/s2)2), soit le meilleur résultat répertorié dans l’état de l’art. Avec un volume de 3.5 mm3, il opère à 552.7 Hz et produit 2.7 μW à 1.6 V RMS à partir d’une accélération de 1 m/s2. Ces résultats démontrent que l’intégration du tungstène dans les microgénérateurs MEMS est très avantageuse et permet de s’approcher davantage des requis des applications réelles.

Name thesis:degree_name

Ph. D.

Level thesis:degree_level

Doctorat

Discipline thesis:degree_discipline

Génie mécanique

Grantor dc:publisher

Université de Sherbrooke

Year dc:date.issued

2019

Author dc:creator

• Dompierre, André

Advisors dc:contributor.advisor

• Fréchette, Luc
• Vengallatore, Srikar Thattai

• Piezoelectricity
• Autonomous wireless sensor
• Vibration energy harvesting
• Microelectromechanical system
• Wafer-level integration
• Microfabrication
• Piézoélectricité
• Capteur sans-fil autonome
• Récupération d'énergie vibratoire
• Microsystème électromécanique
• Intégration au niveau de la tranche

Licence dc:rights.uri

• http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/ca/

Language dc:language.iso

en

Handle dc:identifier.uri

http://hdl.handle.net/11143/15524

OAI identifier oai:identifier

oai:usherbrooke.scholaris.ca:11143/15524