C ONCLUSION G ENERALE

Après avoir établi un état de l’art sur la problématique de la génération d’énergie et plus précisément sur les systèmes de récupération d’énergie via des matériaux piézoélectriques, il s’est avéré qu’aucune étude n’avait abordé en détail le sujet de la dissipation d’énergie avant d’aborder la phase de conception. Les sources de dissipation sont pourtant nombreuses et affectent directement l’énergie mécanique fournie par le système, et peuvent nettement réduire le rendement du démonstrateur.

Lors de ce travail de recherche, une première architecture de microconvertisseur constituée par une poutre en silicium collée en sandwich entre quatre matériaux piézoélectriques massifs à l’encastrement est proposée. Cette architecture est destinée à remplacer les architectures bimorphes dans lesquelles les structures oscillantes sont recouvertes d’un film mince de matériau piézoélectrique obtenu grâce aux techniques de dépôt physique (PVD) ou chimique (CVD).

Dans un premier temps, l’influence de l’air sur les propriétés vibrationnelles de la partie mobile (poutre encastrée-libre) du convertisseur est étudiée expérimentalement. Une expérience de caractérisation a été établie pour des structures encastrées-libres par un système de serrage fondé sur un assemblage vissé. Des essais en bruit blanc et de lâcher dynamique ont été réalisés sur trois matériaux différents, couramment utilisés dans le domaine des microtechniques : le silicium (monocristallin), le quartz et le niobate de lithium (deux matériaux piézoélectriques).

Les paramètres modaux ont été identifiés pour les trois structures par une technique de lissage linéaire dans le cas d’une excitation en bruit blanc et par la méthode de la transformée en ondelettes dans le cas des essais en lâcher dynamique. Cette étude expérimentale de caractérisation montre que la dissipation de l’énergie mécanique vibratoire provoquée par l’effet de l’air libre est secondaire par rapport à la dissipation de l’énergie provoquée par le phénomène de microglissement produit dans les interfaces en contact. La confrontation entre l’expérience et le modèle théorique de Hosaka confirme l’effet négligeable de l’air confiné pour nos conditions opératoires.

Afin de s’assurer que l’amortissement principal identifié pour ces structures est celui provoqué par le phénomène de microglissement, une étude par éléments finis a été effectuée uniquement sur la structure en quartz jugée représentative de notre problématique. Dans ce contexte, la loi Coulomb régularisée a été implantée dans le code de calcul Multiphysic Comsol.

Le calcul a été effectué en régime quasi-statique en imposant comme chargement l’amplitude de déplacement de l’extrémité libre de la structure. Une phase d’optimisation en utilisant les algorithmes génétiques combinés avec les réseaux de neurones a été effectuée pour recaler l’amortissement calculé sur l’amortissement expérimental. Le modèle d’éléments finis optimisé a

permis d’identifier la répartition du microglissement, la pression de contact dans l’interface et l’énergie dissipée par effet Joule. Le résultat obtenu confirme que l’amortissement principal identifié est celui engendré par le phénomène de microglissement à l’interface de serrage (quartz/support).

Afin d’améliorer l’assemblage, nous avons opté pour une solution exploitant des couches adhésives destinées à réaliser l’encastrement. Ces structures sont constituées d’une mini-poutre en silicium collée sur une petite plaque en niobate de lithium qui jouera à terme le rôle de convertisseur mécano/électrique. Trois types de matériaux adhésifs ont été utilisés dans cette expérience (résine SU8 – 1 µm, résine SU8 – 5 µm et l’or compressé). Des essais similaires aux essais réalisés sur les structures encastrées-libres ont été réalisés avec une excitation en sinus-interrompu. Cette nouvelle expérience a été conçue de façon à assurer une pression dans l’enceinte allant de la pression atmosphérique jusqu'au vide secondaire. L’amortissement identifié dans les structures assemblées avec la résine SU8 – 1 µm et la résine SU8 – 5 µm est le plus faible, ce qui signifie que ces assemblages sont les moins dissipatifs. Pour ces deux structures assemblées, l’effet de l’air apparaît comme la source principale de dissipation d’énergie à faible amplitude de vibration. Le collage avec de l’or compressé favorise un amortissement comparable à l’amortissement identifié sur les structures encastrées-libres en quartz et en niobate de lithium. Ce collage est néanmoins très intéressant au vu de sa qualité conductrice qui permet d’assurer le rôle d’électrode. À la fin de cette étude, l’architecture a été modifiée en adoptant une poutre en silicium collée sur deux appuis piézoélectriques massifs à l’encastrement.

Après avoir étudié les phénomènes de dissipation d’énergie décrit ci-dessus, nous avons étudié expérimentalement et numériquement le transfert fréquentiel de l’énergie mécanique. Ce transfert de basse à haute fréquence est possible via des chocs mécaniques. La nouvelle architecture du microconvertisseur a été modélisée par un simple système de masses-ressorts.

Ensuite, l’influence du ratio de temps (rapport de la durée du choc par rapport à la période de la structure) sur la réponse du microsystème et sur la répartition de l’énergie cinétique et de déformation a été étudiée numériquement. Les résultats montrent que l’énergie est maximale quand le ratio de temps tend vers zéro. Afin de valider ce modèle, une expérience sur une macrostructure a été effectuée car difficilement réalisable sur une microstructure. À partir des signaux expérimentaux enregistrées, la méthode de la transformée en ondelettes a été utilisée pour identifier les paramètres modaux et un filtrage spécifique a été mis en œuvre pour obtenir une meilleure décomposition des signaux en accélération. Les spectres primaires et résiduels ont été obtenus puis les différents spectres en énergie ont été calculés. La confrontation entre les résultats obtenus avec une excitation en demi-sinus, une excitation en TR et l’expérience montre que l’excitation en demi-sinus reproduit le mieux les résultats expérimentaux. En effet, le modèle à base d’excitation en demi-sinus montre un bon accord avec l’expérience, excepté le début de l’énergie cinétique primaire. L’influence du couplage piézoélectrique (dans le cas des

microsystèmes) a été également étudiée numériquement et a révélé que les spectres en réponses et en énergies sont largement affectés quand le paramètre de couplage est relativement élevé.

L’influence de la connexion du microsystème avec un condensateur sur les différents spectres dépend de la valeur de capacité, alors que la connexion avec une résistance influence constamment les spectres en réponse et en énergie. L’influence de la succession de choc et de l’effet de l’encastrement ont été également analysées numériquement et ont révélé la nécessité de bien choisir le ratio de temps afin d’augmenter le rendement de l’application de récupération d’énergie vibratoire.

Enfin, une modélisation analytique de la nouvelle architecture a été développée en se basant sur la dynamique des poutres élancées. Les résultats obtenus montrent que les forces normales dans les deux appuis évoluent en opposition de phase dans le cas du premier mode de vibration. Afin de cumuler la tension électrique, le choix de la connexion des électrodes dans les éléments piézoélectriques est crucial. Cette connexion n’est pas la même dans le cas d’un fonctionnement en deuxième mode de vibration. Ce modèle nous a également permis de connaître les ordres de grandeurs de la puissance électrique susceptible d’être récupérée.

P

Les perspectives de ce travail de recherche sont nombreuses :

• Amélioration du collage avec de l’or compressé dans le cas des substrats déjà usinés en profondeur et réitérer l’expérience de caractérisation entre le VS et la PA.

• Confirmation des résultats expérimentaux par des calculs préliminaires par éléments finis.

• Validation expérimentale des spectres en réponse et en énergie dans le cas d’un système à deux degrés de liberté.

• Etude expérimentale et numérique des limitations physiques et mécaniques des matériaux piézoélectriques utilisés.

• Fabrication de la nouvelle architecture du microconvertisseur d’énergie mécano-électrique en salle blanche (le procédé est déjà prêt).

• Validation expérimentale de l’influence de la connexion avec une résistance sur l’amortissement et la puissance électrique et prévoir une électronique capable d’emmagasiner l’énergie électrique disponible.

• Validation expérimentale du modèle théorique de conversion de l’énergie basé jusqu'à maintenant sur une excitation sinusoïdale.

• Comparaison de l’énergie récupérable par ce microconvertisseur avec l’état de l’art dans le domaine.

• Combinaison du modèle théorique avec le modèle des chocs mécaniques.