Solutions envisagées

Afin de rendre l’encastrement plus rigide et de réduire l’influence du procédé de fabrication sur le coefficient de couplage expérimental, une solution possible serait de mettre le matériau piézoélectrique sous pression avec les blocs de l’encastrement comme illustré dans la Figure IV.12.a au lieu de comprimer uniquement le substrat. La configuration de la Figure IV.12.a montre également que les blocs de la masse mobile peuvent être collés directement sur le matériau piézoélectrique. Cette configuration a notamment été utilisée par Kim et al. [124] pour valider leur modèle semi-analytique (Figure IV.12.b). Cependant, comprimer le matériau piézoélectrique au niveau de l’encastrement induit une concentration de contraintes sur le matériau et peut détériorer le récupérateur ou le rendre fragile. De plus, avec cette configuration, le matériau piézoélectrique n’est pas déformé sur les longueurs où sont disposés l’encastrement et la masse mobile. Une partie du matériau piézoélectrique n’est donc pas utilisée pour produire de l’électricité et le coût du récupérateur est augmenté par rapport à notre configuration. De plus, si le matériau piézoélectrique comporte des électrodes aux zones non-déformées, le

6,00% 7,00% 8,00% 9,00% 10,00% 11,00% 12,00% 0 100 200 300 400 500 C oef fici ent de couplag e ² Distance dc=dm (µm) Fixation parfaite 5µm 10µm 20µm Distance C oe ffic ient de c ouplag e 1

coefficient de couplage global peut être diminué par rapport au cas où le matériau se déforme. En effet, si le matériau piézoélectrique ne se déforme pas, une partie des électrodes n’est pas exploité pour augmenter le terme de tension équivalent Θ (la pente 𝜙′(𝑥) introduite dans la section III.1.2 ne varie pas aux zones sans déformation) alors qu’elle augmente la valeur de la capacité équivalente 𝐶_𝑝.

a.

b.

Figure IV.12 : Configuration de masse utilisée par Kim et al. [124] : a. représentation, b. photographie du prototype de Kim et al. [124]

Une alternative à la configuration de la Figure IV.12 est de mettre des éléments de consolidation à l’encastrement et à la masse afin de renforcer les liaisons. Cette option fait cependant l’objet d’un brevet déposé par l’Université Grenoble Alpes et l’entreprise Vermon [175]. Ce brevet montre notamment qu’il est possible d’uniformiser les contraintes au niveau de l’encastrement en ajustant la forme et les matériaux des éléments de consolidation. Les éléments doivent être judicieusement conçus afin d’éviter une concentration de contrainte comme évoqué pour la configuration de la Figure IV.12.

a. b.

Figure IV.13 : Configuration avec éléments de consolidations : a. représentation, b. figure du brevet [175]

Les éléments de consolidation n’ont pas été expérimentés pour la fabrication de nos prototypes. Cette solution est en effet complexe et la réalisation d’éléments rigides, non- conducteurs et n’induisant pas de concentration de contraintes n’a pas pu être effectuée pendant le doctorat.

Grâce au protocole de fabrication présenté en IV.2, nous avons réduit au mieux les distances 𝑑𝑐 et 𝑑𝑚. A titre d’exemple, la Figure IV.14.a. montre l’encastrement d’un des premiers

prototypes PZT W fabriqués au cours du doctorat alors que Figure IV.14.b. montre Blocs

d’encastrement Blocs de masse Patchs

piézoélectriques Substrat

Eléments de consolidation

l’encastrement d’un prototype fabriqué avec le protocole présenté en IV.2. Le prototype sur la Figure IV.14.a. comportait un chanfrein induisant un faible coefficient de couplage (𝑘2 ₌

10,7%). Nous avons donc demandé au fabricant de pièces mécaniques de ne pas ébavurer les pièces d’encastrements pour les prochains prototypes. De cette manière, la présence d’une arête vive en angle droit sur la Figure IV.14.b. permet de rapprocher au mieux les patchs piézoélectriques de l’encastrement et d’améliorer le coefficient de couplage (𝑘2 _{= 1 , %). Un}

tel rapprochement de l’encastrement a également été possible grâce au retrait de la colle par un scalpel tel que présenté dans la Figure IV.7. Le léger chanfrein réalisé sur le matériau piézoélectrique (Figure IV.5) permet d’éviter le contact électrique entre les faces libres de patchs et les blocs d’encastrement (Figure IV.14.b.).

a. b.

𝑑_𝑐 ≈ 100 µ𝑚 𝑘2 _{= 10,7% 𝑑}

𝑐 ≪ 100 µ𝑚 𝑘2 = 1 , %

Figure IV.14 : a. Premier prototype PZT W fabriqué avant l’amélioration du procédé de fabrication. b. Prototype PZT W fabriqué avec le procédé de fabrication final sur lequel les potentiels sont représentés.

Une autre tentative d’amélioration du protocole de fabrication a été proposée au cours des expérimentations mais n’a pas été retenue : pour la fabrication du prototype en Figure IV.14.a, des morceaux de feuilles d’aluminium (dont l’épaisseur a été estimée à 7 µm à l’aide d’un pied à coulisse) ont été utilisés afin de contrôler l’épaisseur de la colle entre les patchs et le substrat et ainsi réaliser le contact électrique. Lors du collage des patchs piézoélectriques, 4 à 6 morceaux d’aluminium ont été disposés entre le substrat et les patchs. Le papier d’aluminium offre notamment l’avantage d’être conducteur et d’être très fin par rapport aux particules de colles conductrices (7µm contre 20µm). Or, lors de la fabrication et particulièrement lors de l’utilisation de l’étau (Figure IV.6.d), la répartition aléatoire des feuilles d’aluminium a induit des zones de concentrations de contraintes et a rendu les prototypes très fragiles. Ces derniers ont en effet cassé lors de leur caractérisation. Par conséquent, la solution des feuilles d’aluminium a été abandonnée. Un ponçage profond du substrat est finalement suffisant pour permettre une conduction entre le substrat et l’électrode des patchs piézoélectriques.

En conclusion, nous avons proposé, réalisé et amélioré une méthode de fabrication de prototypes très fortement couplés. La configuration choisie pour les récupérateurs induit une baisse expérimentale du coefficient de couplage par rapport aux résultats obtenus avec des fixations parfaites considérées en simulation par éléments finis en 3D. Cependant, notre configuration évite la concentration des contraintes par rapport à la solution de Kim et al. [124]. La diminution du coefficient de couplage due aux défauts d’encastrement et à l’épaisseur de colle a pu être évaluée avec des simulations par éléments finis. Ces imperfections peuvent entraîner une diminution relative de 30% du coefficient de couplage sur les résultats

PZT PZT Substrat Encastrement 300µm Encastrement PZT PZT Encastrement Encastrement Substrat Potentiel à la masse Potentiel des faces libres

expérimentaux même si des efforts sont réalisés sur la précision de fabrication (diminution relative de 28% pour le PZT N entre le cas parfait et le cas considérant des distances de 1 µm à l’encastrement et à la masse mobile ainsi qu’une épaisseur de colle de 10 µm). De très forts coefficients de couplage restent malgré tout attendus pour les prototypes réalisés. Dans la section suivante, nous abordons la caractérisation des récupérateurs fabriqués.