MEMS céramiques piézoélectriques imprimés pour la récupération d’énergie : Vers un frittage SPS du multicouches.

Abstract

Une application émergente pour les MEMS (Micro-Electromechanical Systems) piézoélectriques concerne la récupération d’énergie mécanique vibratoire. Leur fabrication en couches épaisses sérigraphiées est une approche bas coût attractive. En effet, les couches épaisses, sont une alternative intéressante aux couches minces pour maximiser le couplage électromécanique. De plus, le remplacement des substrats passifs silicium par des substrats métalliques plus flexibles est aussi recherché pour améliorer les performances. Les couches épaisses piézoélectriques imprimées présentent cependant une porosité résiduelle néfaste pour les propriétés piézoélectriques. L'objectif de cette thèse est de développer un récupérateur d'énergie mécanique résonant pour l’alimentation des systèmes autonomes. Le récupérateur d’énergie consiste en une structure multicouche formée de Pb(ZrTi)O3 (PZT) comme matériau piézoélectrique actif, situé entre deux électrodes d’or. L’ensemble est sérigraphié sur un substrat en acier inoxydable (SS). L’implémentation d’une géométrie innovante a aussi conduit à une optimisation de la fréquence de résonance de la structure et de la densité de puissance. Enfin, pour améliorer la densification des couches de PZT, la technique de frittage avancé SPS (Spark Plasma Sintering) associée à la technique de sérigraphie a été explorée.Au cours de ce travail de thèse, le récupérateur d’énergie a été réalisé par sérigraphie de toutes les couches en incorporant une étape de pressage des échantillons avant le co-frittage conventionnel réalisé à 900 °C. Le procédé de fabrication a été optimisé avec notamment une résolution des problèmes d’adhésion des couches et de déformation de la structure. Une géométrie de type zig-zag modifié a été développée. Plus spécifiquement, ce récupérateur d’énergie MEMS dédié à des technologies de réseau électrique intelligent (Smart Grids), fonctionne sur la base d’un couplage des effets piézoélectrique et électromagnétique, avec l’intégration d’un aimant et l’interaction d’un champ électromagnétique autour d’un fil porteur de courant alternatif (AC). Une fréquence de résonance de 60Hz a été obtenue avec une puissance de sortie de 9 µW pour un courant de 7 A. La densité de puissance normalisée est nettement améliorée comparée à la littérature. Une électronique associée à ce dispositif a aussi contribué à mettre en valeur les potentialités de ce microsystème. Bien que la performance du récupérateur d’énergie ait été prouvée, la structure présente une densification de la couche active de PZT limitée (densité ≈82%). La deuxième partie de cette thèse a porté sur une amélioration de la densification du PZT en utilisant le procédé SPS. Une optimisation des différents paramètres SPS (température, pression, durée et vitesse de chauffe) a d'abord été menée pour la densification des poudres de PZT. Les conditions SPS optimales ont été déterminées et des céramiques de densités proches de 98% ont été obtenues à des températures aussi basses que 850 °C. Les propriétés électromécaniques proches de celles de céramiques commerciales de PZT attestent de l’efficacité du SPS. Les poudres de PZT ont pu être densifiées sans ajout d’aide au frittage et l’utilisation originale d’une couche protectrice pour protéger le PZT de toute réduction chimique a permis d’éviter un traitement thermique post-SPS. Ces paramètres ont ensuite été transférés sur des structures simples de multicouches Au/PZT/Au/SS. Les principaux verrous identifiés sont la porosité de la couche active PZT, les problèmes d’interfaces conduisant à des interdiffusions entre les couches, les problèmes de délamination ou de courbures. Les différents essais ont conduit à la conception d’un moule SPS en graphite spécifiquement modifié et optimisé pour la densification de ce type de structures multicouches. L’efficacité du SPS en termes de réduction des températures et de rapidité du cycle de frittage s’avère prometteur pour le développement de MEMS imprimés.