Récupération d’énergie électrostatique

Comme nous l’avons mentionné dans le Chapitre I, un transducteur électrostatique est généralement composé de deux électrodes : une électrode fixe et une électrode mobile. Il se comporte comme un condensateur variable, dont la capacité dépend de la position relative de ses électrodes. Dans le cas des systèmes inertiels, le mouvement de l’électrode mobile peut être amplifié à l’aide d’un résonateur mécanique, que l’on schématise habituellement par un système {masse + ressort} (Figure II.1). Les pertes mécaniques du système sont représentées par un amortisseur. Un circuit de conditionnement

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doit être associé à ce condensateur variable afin de permettre la conversion d’énergie et le transfert de cette énergie vers un élément de stockage.

Figure II.1 : Structure générale d’un système de récupération d’énergie vibratoire à transduction capacitive.

II.2.1. Principaux types de transducteurs capacitifs

Il existe différents types de transducteurs électrostatiques que l’on distingue par la direction du mouvement relatif entre les électrodes de la capacité variable. On trouve ainsi deux modes de variation de la capacité des transducteurs électrostatiques : la variation de l’espace inter-électrodes (gap-closing) ou la variation du chevauchement des surfaces en regard (area overlap). Parmi ces transducteurs, différentes configurations sont possibles : leurs électrodes peuvent être soit composées de peignes interdigités, soit de surfaces planes. Le mouvement peut être soit dans le même plan que les électrodes, soit perpendiculairement à ce plan (ou « hors plan »). Un grand nombre de géométries de transducteurs électrostatiques est donc possible. Dans le cas des MEMS réalisés en technologie silicium, on trouve essentiellement les trois structures représentées schématiquement Figure II.2. Une comparaison détaillée de ces trois structures, effectuée par Roundy et al., a montré que la structure à gap variable dans le plan était la plus adaptée aux MEMS. En effet, la structure à chevauchement de surface dans le plan présente plus de risques d’instabilité, tandis que les structures à surfaces planes à gap variable peuvent se coller au cours du mouvement à cause des forces d’interactions de surface [Roundy, 2002].

(i) (ii) (iii)

Figure II.2 : Principales structures des récupérateurs d’énergie électrostatique. Les flèches représentent la direction du mouvement. L’électrode mobile est associée à un ressort. (i) structure à peignes interdigités à chevauchement de surface dans le plan (ii) structure à peignes interdigités à gap variable dans le plan (iii)

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II.2.2. Deux catégories de transducteurs

Afin de convertir l’énergie mécanique en énergie électrique, la capacité variable doit être polarisée électriquement de manière appropriée. Les moyens de polarisation permettent de distinguer deux catégories de transducteurs, ceux avec électret et ceux sans électret.

II.2.2.1. Transducteurs avec électret

Les électrets sont des matériaux diélectriques (isolants) présentant une polarisation quasi-permanente. Le mot électret tient son origine de sa propriété similaire à celle d’un aimant permanent dans le domaine électrostatique, c’est donc la contraction de électricity et magnet. Les électrets des microsystèmes sont classiquement réalisés en oxyde de silicium, nitrure de silicium [Okubo, 2015], téflon [Perez, 2016], ou encore parylène [Genter, 2015]. Les électrets utilisés pour la récupération d’énergie électrostatique sont le plus souvent à excès de charge, obtenue par décharge Corona. L’effet Corona apparait lorsque le champ électrique dépasse une certaine valeur mais avec des conditions insuffisantes pour permettre la création d’un arc électrique (loi de Peek). Il y a alors ionisation du milieu entourant le conducteur électrique et création d’un plasma. Les ions créés transfèrent leurs charges aux molécules environnantes de plus basse énergie [Boisseau, 2011].

Les transducteurs électrostatiques à électrets bénéficient d’une source interne de champ électrique provenant des charges piégées dans le diélectrique qui est intégré à leur capacité variable. C’est cette polarisation interne qui permet la conversion d’énergie lors des variations de capacité. Pour avoir une longue durée de vie, les électrets doivent avoir une faible conductivité et une forte permittivité relative. La conservation de la charge peut atteindre plusieurs dizaines d’années rendant possible une application « implant and forget »[Kotrappa, 2008]. Cependant la stabilité de la charge dépend fortement de la technique d’implantation utilisée et des mécanismes de perte de charge, ces derniers étant encore peu connus. Par ailleurs l’implantation d’électrets nécessite des étapes de fabrication qui ne sont pas forcément compatibles avec toutes les structures et technologies de fabrication.

II.2.2.2. Transducteurs sans électret

Les systèmes de récupération d’énergie à transducteurs électrostatiques sans électret font actuellement l’objet d’un nombre d’études plutôt réduit. Sans électret, le cycle électrique nécessaire à la conversion d’énergie doit être réalisé de manière externe au moyen de circuits d’interface spécifiques. Malgré de récents progrès dans ce domaine, ces circuits sont considérés comme techniquement difficiles à mettre en œuvre à très basse puissance. Par ailleurs, le démarrage de la conversion d’énergie n’est pas possible s’il n’y a pas du tout d’énergie électrique disponible au départ, ce qui peut poser problème dans de nombreuses applications.

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Pour des raisons de sureté de fonctionnement, le pacemaker sans sonde doit embarquer une réserve d’énergie électrique suffisante pour assurer son fonctionnement pendant quelques mois. Le démarrage du circuit de conditionnement ne pose donc pas de problème dans ce cas. De plus, les progrès réalisés dans le domaine des circuits de conditionnement ces dernières années [Lefeuvre, 2016; Dudka, 2012; Yen, 2006; Queiroz, de, 2013] permettent d’envisager de manière réaliste l’utilisation de transducteurs sans électret pour l’application visée.

Notre choix s’est porté sur la conversion sans électret pour deux raisons principales. La première est que la maîtrise de la longévité des électrets n’est pas assez mature pour que cette solution soit aujourd’hui acceptée dans une application médicale. La deuxième raison est liée à la structure tridimensionnelle que nous avons choisi d’étudier. En effet, pour cette structure complexe, décrite plus loin, il n’existe pas à notre connaissance de solution permettant de réaliser la précharge de l’électret.