Résumé :
Le but de cette thèse était d’étudier des solutions innovantes pour la récupération d’énergie pour pouvoir alimenter de manière autonome les futurs capteurs et noeuds communicants sans fil de l’Internet des Objets (IoT pour Internet of Things). Le travail s’est focalisé sur des matériaux piézoélectriques souples et sur une approche composite et multiphysique. L’objectif est de récupérer de l’énergie à partir de déformations directes ou induites provenant de sources à la fois mécaniques et thermiques et en particulier de sources négligées jusqu’alors (lentes et de faibles intensités). L’idée maitresse est l’hybridation de plusieurs matériaux fonctionnels avec un coeur du système constitué par des microgénérateurs piézoélectriques (et pyroélectriques) imprimés nécessaires à la génération de charges électriques. L’originalité de ce travail est d’avoir réalisé un système de récupération d’énergie entièrement flexible, au format d’une carte de crédit et compatible avec de plus grandes dimensions, en utilisant des copolymères piézoélectriques de P(VDF-TrFE) sous forme d’encres. Ce matériau est flexible et particulièrement résistant, ce qui le rend attractif pour des applications mettant en jeu formes complexes, notamment, courbes. Un autre avantage du copolymère de P(VDF-TrFE) est qu’il ne nécessite pas de pré-déformation mécanique comme pour le polymère PVDF et il commence à être aujourd’hui disponible sous forme d’encres pour l’électronique imprimée, ce qui simplifiera et réduira les coûts de fabrication à termes. En premier, nous décrivons le procédé de fabrication par sérigraphie des microgénérateurs en P(VDF-TrFE), suivi par les caractérisations ferroélectriques puis piézoélectriques des dispositifs. A cet effet, nous avons développé des techniques de mesures originales en circuit ouvert qui ont été testées et validées au préalable avec des échantillons de PVDF commercial. La dernière étape a été de réaliser un prototype de récupération d’énergie thermique flexible de faible encombrement (sans radiateur). Cela a été réalisé en hybridant les microgénérateurs précédemment fabriqués avec des feuilles d’alliages à mémoire de forme thermique à base de NiTi, qui est un matériau sensible à un seuil de température donnée. Les résultats phares de cette étude sont : 1) le dépôt multicouches de P(VDF-TrFE) combiné au dépôt d’une électrode souple en PEDOT:PSS, 2) l’établissement des caractéristiques ferroélectriques et piézoélectriques en fonction de l’épaisseur de P(VDF-TrFE) et enfin 3) la détermination d’un coefficient g31 supérieur à la normale avec 0.15 V·m/N. Aussi, nous avons démontré la capacité de ces microgénérateurs à délivrer des tensions utiles de l’ordre de 10 V avec ici une densité d’énergie de proche de 500 μJ/cm3, ces valeurs étant limitées aux conditions de test utilisées. Nous concluons ce travail sur une preuve de concept fonctionnelle de récupérateur d’énergie thermique flexible apte à détecter ou utiliser des variations lentes et faibles de température à partir de sources élémentaires, produisant pour l’instant 37 V (correspondant à 95 μJ) à 65 ºC, et qui à termes pourront être l’air ambiant (chaud ou froid) ou la chaleur de la peau.


Abstract:
This work aims to study innovative solutions for energy harvesting applicable to autonomous wireless sensors for IoT (Internet of Things). It is focused on flexible piezoelectric composite materials and a multi-physical approach. The objective is to harvest energy via strain-induced phenomena from both mechanical and thermal sources, and particularly sources neglected so far (slow and low). The main idea is the hybridization of different functional materials with the core of the system being screen printed piezo/pyro-electric microgenerators, mandatory to generate electrical charges. The originality of this work is to realize large area flexible energy harvesting systems by using ink-based piezoelectric copolymers of polyvinylidene fluoride P(VDF-TrFE). This material is very flexible and durable which makes it attractive for applications in systems with complex shapes. Another benefit of P(VDF-TrFE) is that it does not need to be pre-stretched as PVDF and it is now available in inks for printable electronics which can simplify and reduce the price of the fabrication process. We first describe the fabrication process of the screen printed P(VDF-TrFE) microgenerators, followed by ferroelectric and piezoelectric characterizations. For this purpose we have developed optimized methods in open-circuit conditions adapted for flexible systems tested and validated on commercial bulk PVDF. The last step was to realize a low profile thermal flexible energy harvester prototype (no radiator). It was done by hybridization of the fabricated microgenerators and foils of shape memory NiTi-based alloy, which is a functional material sensitive to a given temperature threshold. The key outcomes of this work are: 1) the successful deposition of multilayers of P(VDF-TrFE) and organic PEDOT:PSS electrode, 2) dielectric, ferroelectric and direct piezoelectric constants reported as a function of film thickness, and 3) the g31 direct voltage coefficient, measured for the first time, and showing the record value of 0.15 V·m/N. Also, we have demonstrated that in open-circuit conditions, the microgenerators can produce a useful strain-induced voltage of 10 V with an energy density close to 500 μJ/cm3, these values being limited by the experimental set-up. The concept of thermal energy harvesting composite based on thin film screen printed P(VDF-TrFE) microgenerators was realized and demonstrated to be effective. We conclude with a functional prototype of flexible energy harvester, able to detect non-continuous slow thermal events and producing 37 V (corresponding to 95 μJ) at 65 ºC.

Le jury est composé de :
Dr. Philippe Pernod, Professeur, Ecole Centrale de Lille, Rapporteur
Dr. Paul Muralt, Professeur, EPFL, Rapporteur
Dr. Ian Cayrefourcq, Directeur de Recherche, Arkema, Examinateur
Dr. Bernard Viala, Ingénieur de Recherche, HDR, CEA-Leti, Directeur de thèse
Dr. Orphée Cugat, Directeur de Recherche, CNRS, G2ELab, Co-directeur de thèse
Dr. Leticia Gimeno, Maitre de conférences, UJF/UGA, G2ELab, Encadrant
Dr. Romain Gwoziecki, Ingénieur de Recherche, CEA-Liten, Invité