Récupérateur d'énergie piézoélectrique céramique sans plomb imprimé: vers plus de performance avec un procédé plus vert – PLAYER-ONE

Les dispositifs électroniques actuels nécessitent une alimentation électrique, de préférence fournie in-situ pour devenir dispositifs autonomes. Les progrès des technologies sans fil et la réduction de la consommation d'énergie des circuits intégrés ont permis de trouver différentes solutions pour alimenter ces systèmes. La récupération de l'énergie mécanique des vibrations ambiantes (<500Hz) peut fournir une quantité raisonnable d'énergie, typiquement des centaines de µW. Cette solution proposée pour alimenter des dispositifs électroniques autonomes en énergie, ou même compléter leur source primaire d’alimentation présente en effet un double intérêt : densité importante de la source d’énergie mécanique (environ 300µW.cm-3) et simplicité de la conversion mécano-électrique par effet piézoélectrique direct. Pour atteindre cet objectif, le design, le choix de matériaux (matériau actif, électrode et substrat passif) et le procédé préfigureront sans aucun doute les performances électromécaniques globales en termes de fréquence, accélération et densité de puissance requises en envisageant l’application citée précédemment. Les recherches actuelles dans ce domaine tendent à réduire les coûts de fabrication et à remplacer le substrat silicium, classiquement utilisé pour les MEMS, par des substrats flexibles. L’un des verrous de recherche actuel se trouve dans l'intégration de nouveaux matériaux actifs sans plomb dans ces MEMS.
Dans un contexte de réduction de la consommation d'énergie et de durabilité, PLAYER-ONE vise donc l’élaboration de dispositifs à base de matériaux piézoélectriques inorganiques sans plomb dédiés à la récupération d’énergie vibratoire. Notre démarche combine la modélisation pour concevoir, et des procédés avancés pour élaborer, à basse température, des récupérateurs d’énergie piézoélectriques performants et durables. Nous ciblons le matériau (K,Na)NbO3 (KNN) très prometteur pour la nouvelle génération de matériaux piézoélectriques sans plomb. Le récupérateur MEMS considéré sera une structure 3D de type poutre, formée d’une couche épaisse piézoélectrique de KNN sans plomb, prise en sandwich entre 2 couches d’électrodes ; le tout sera déposé par la technique additive de sérigraphie sur un substrat flexible avec une géométrie optimisée et co-fritté par la technique de frittage SPS (Spark Plasma Sintering) dans des conditions particulières à basse température (<900°C). Le SPS permet un frittage pendant des temps très courts (< 5min) grâce à la combinaison de la pression et de courant pulsé et a fait ses preuves pour fritter efficacement des céramiques piézoélectriques. La technique de sérigraphie simple, versatile et bas coût permettra de réaliser des couches épaisses (10-100µm) de dimensions variées et comblera le fossé entre les couches minces et les céramiques pour maximiser la puissance récupérée. Le procédé de fabrication de récupérateur d’énergie multicouches fritté en une étape est complétement original mais aussi ambitieux puisqu’il faut résoudre les problèmes liés à la chimie et à la microstructure (volatilité des alcalins, densité, taille des grains et joints de grains, interfaces, etc). Les optimisations en matière de propriétés des matériaux, de structure globale et de fiabilité seront réalisées sur la base de simulations numériques et de caractérisations avancées (microstructure et interfaces, diélectriques et électromécaniques). Pour les simulations, les performances de récupération d’énergie vibratoire sera optimisée en maximisant le coefficient de couplage électromécanique k2 et le facteur de qualité mécanique Q (ie. l’inverse des pertes mécaniques). Notre consortium mutualisera ses ressources et ses savoir-faire complémentaires (chimie, science des matériaux, électronique, microsystèmes, modélisation et fiabilité) pour relever le défi.