Brevet FR3033552A1 — publié le 20160916

Procédé de fabrication d'un micro-générateur mécano-électrique flexible et micro- générateur correspondant 1. DOMAINE DE L'INVENTION L'invention s'inscrit dans le domaine de la récupération d'énergie. Plus précisément, l'invention concerne la conception d'un générateur mécano-électrique en couches minces destiné à produire de l'énergie électrique à partir d'énergie mécanique ambiante. Ce type de générateur est communément appelé micro-générateur. Les micro-générateurs concernés par l'invention fonctionnent sur la base d'une conversion d'énergie mécanique, provenant d'un environnement en mouvement vibratoire, en énergie électrique. De nombreuses sources ambiantes d'énergie mécanique présentes dans l'environnement de dispositifs ou systèmes électroniques peuvent être exploitées (fluide en mouvement (liquide, gaz), son, déformations mécaniques, etc.), afin de rendre ces dispositifs ou systèmes autonomes en énergie. L'invention peut s'appliquer notamment, mais non exclusivement, à la conception de micro-générateurs exploitant les « flux d'air» (aussi appelés générateurs « aéro-électriques ») comme sources d'énergie mécanique ambiante propre et durable. De tels micro-générateurs peuvent être implantés dans divers sites exposés au moindre flux ou courant d'air (par exemple un réseau de gaines d'aération d'un bâtiment, un dispositif VMC, une bouche de métro, etc.) ou encore implantés sur un véhicule en mouvement (automobile, train, avion, etc.) exploitant les flux d'air générés par le déplacement du véhicule dans l'air. D'autres applications sont également envisagées par exemple dans le cadre de la récupération d'énergie produite par des ondes acoustiques, des mouvements de machines ou êtres vivants, ou en milieu aquatique (phénomène de houle, notamment). L'énergie récupérée peut servir notamment à alimenter des dispositifs électroniques de faibles puissances, comme par exemple des capteurs sans-fils ou des diodes électroluminescentes. 3033552 2 2. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE On s'attache plus particulièrement dans la suite de ce document à décrire la problématique existant dans le contexte de la récupération d'énergie par flux d'air, à laquelle ont été confrontés les inventeurs de la présente demande de brevet. 5 L'invention ne se limite bien sûr pas à ce contexte particulier d'application, mais présente un intérêt pour toute technique de fabrication de micro-générateurs mécano-électriques devant faire face à une problématique proche ou similaire. La récupération d'énergie est une thématique en plein essor qui pousse les chercheurs à concevoir des micro-générateurs permettant d'alimenter des systèmes 10 électroniques en absorbant l'énergie mécanique ambiante présente dans le milieu environnant. Des résultats prometteurs en termes de récupération d'énergie vibratoire ambiante ont été présentés avec des micro-générateurs utilisant des matériaux piézoélectriques pour assurer la conversion énergétique mécano-électrique. Une 15 contrainte mécanique appliquée au matériau piézoélectrique fait apparaître, par effet piézoélectrique, un signal électrique. Les matériaux piézoélectriques utilisés traditionnellement sont des céramiques cristallines rigides, qui doivent subir des contraintes mécaniques relativement élevées pour obtenir un rendement de conversion mécano-électrique exploitable, ce qui réduit 20 fortement le champ d'application de ces dispositifs. Des polymères semi-cristallins présentant des propriétés piézoélectriques, comme le polyfluorure de vinylidène par exemple, ont également été mis au point. Ces polymères piézoélectriques présentent l'avantage d'être flexibles et donc sensibles aux ondes mécaniques. Toutefois, les propriétés piézoélectriques de ces matériaux sont moindres comparées à celles des 25 céramiques, et donc exploitables uniquement pour des applications spécifiques (capteurs de force ou de pression par exemple). Les efforts menés par les concepteurs de micro-générateurs ont débouché ces dernières années sur des techniques d'élaboration de structures en couches minces sur support flexible. 30 On entend par « couche mince », dans la suite de ce document, une couche de matériau dont l'épaisseur est généralement inférieure à 500 um, par opposition aux 3033552 3 « couches épaisses » ou « en volume» (« bulk » en anglais) dont l'épaisseur est généralement supérieure à 500 iim. Une technique connue, présentée dans la publication « Preparation on transparent flexible piezoelectric energy haryester based on PZT films by laser lift-off 5 process » - Y. H. DO - Sensors and Actuators A - 2013, 200, 51-5, consiste à effectuer dans un premier temps un dépôt, par une méthode classique sol-gel, d'une couche mince en Zircono-Titanate de Plomb (noté PZT) sur un substrat de saphir. La couche mince de PZT ainsi obtenue est ensuite revêtue d'un film de polyéthylène (PET) au moyen d'un adhésif polyuréthane. Une méthode de décollage par faisceau laser (« lift- 10 off laser » en anglais) est alors mise en oeuvre pour séparer la couche mince de PZT du substrat de saphir. Le substrat saphir est alors soumis à un balayage laser à travers la face nue de celui-ci et sur l'ensemble de sa surface, de façon à décoller le saphir et ainsi laisser la couche mince de PZT sur un support flexible. Un jeu d'électrodes interdigitées est ensuite déposé sur la couche mince de PZT, puis une couche de protection en 15 résine époxy est déposée sur la couche mince de PZT munie d'électrodes. Toutefois, cette technique de fabrication est complexe à mettre en oeuvre et onéreuse. D'une part, elle requière l'utilisation d'un substrat en saphir poli qui est un matériau très coûteux à produire. D'autre part, l'étape de décollage par faisceau laser nécessite l'utilisation d'un système optique de précision, également coûteux. Enfin, du 20 fait de sa complexité, un transfert de cette technique à l'échelle industrielle paraît difficile. Un autre inconvénient de cette technique est qu'elle ne fonctionne qu'avec des matériaux compatibles avec le processus de décollage par faisceau laser, offrant ainsi un choix très limité de matériaux envisageables pour la fabrication des micro- 25 générateurs. Pour ces raisons, l'application industrielle d'une telle technique de fabrication pose donc de réelles difficultés. 3. OBJECTIFS DE L'INVENTION L'invention, dans au moins un mode de réalisation, a notamment pour objectif 30 de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique. 3033552 4 Plus précisément, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un objectif est de fournir une technique de fabrication d'un micro-générateur mécano-électrique, qui soit simple et peu coûteuse à mettre en oeuvre. Au moins un mode de réalisation de l'invention a également pour objectif de 5 fournir une telle technique qui soit facilement industrialisable. Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir une telle technique qui ne présente aucune contrainte quant aux choix des matériaux utilisés pour la fabrication des micro-générateurs. Un objectif complémentaire d'au moins un mode de réalisation de l'invention 10 est de fournir une telle technique qui permette d'obtenir des micro-générateurs sensibles à la moindre contrainte mécanique, par exemple à un flux d'air de faible vitesse tel qu'une brise d'air. Un objectif complémentaire d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir une telle technique qui permette d'obtenir des micro-générateurs à 15 rendement de conversion mécano-électrique amélioré. 4. EXPOSÉ DE L'INVENTION Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'un micro-générateur mécano-électrique, comprenant les étapes suivantes : 20 - former un empilement d'au moins une structure de base en couches minces, chaque structure de base étant obtenue en : * déposant, sur un substrat mince électriquement conducteur formant une électrode inférieure, une couche mince de matériau piézoélectrique, dite couche active ; 25 * déposant, sur la couche active, une couche mince de matériau électriquement conducteur formant une électrode supérieure; - encapsuler ledit empilement dans une couche de revêtement mince à base d'au moins un matériau polymère élastiquement deformable. Ainsi, l'invention permet d'élaborer, de façon simple et peu coûteuse, un micro- 30 générateur mécano-électrique à base de couches minces souples. 3033552 5 L'invention repose sur un dépôt de couches minces successives sur un substrat mince électriquement conducteur, jouant le rôle d'électrode inférieure du micro-générateur. En plus de son rôle classique de support matériel sur lequel sont déposées les couches minces de matériaux actifs, le substrat remplit donc dores et déjà un des 5 rôles fonctionnels du micro-générateur. Ainsi, contrairement au procédé de l'état de la technique qui repose sur un mécanisme complexe de séparation par faisceau laser de couche mince d'un substrat en saphir, le procédé selon l'invention est beaucoup plus simple à mettre en oeuvre et moins couteux. Enfin, il présente l'avantage de n'avoir aucune contrainte quant aux choix des matériaux et de l'épaisseur des couches minces 10 pouvant être utilisés pour fabriquer un micro-générateur. Par empilement d'au moins une structure de base, on entend une structure de base ou un ensemble d'au moins deux structures de bases superposées. La couche de revêtement qui sert à encapsuler l'empilement d'au moins une structure de base en couches minces permet d'une part de protéger hermétiquement 15 les couches de matériaux actifs du micro-générateur, et d'autre part de renforcer le comportement élastique de l'empilement dans son ensemble. Selon un premier mode de réalisation conforme à l'invention, l'empilement comprend une unique structure de base en couches minces ; l'encapsulation dans ce cas consiste à recouvrir l'unique structure de base au moyen d'une couche de 20 revêtement mince à base de polymère élastiquement deformable. Selon un deuxième mode de réalisation conforme à l'invention, l'empilement comprend une pluralité de structures de base superposées, l'encapsulation dans ce cas consiste à recouvrir la pluralité de structures de base superposées dans sa totalité au moyen d'une couche de revêtement. 25 Selon un aspect particulier de l'invention, le procédé comprend en outre, pour chaque structure de base de l'empilement, une étape de traitement thermique de la couche active déposée sur le substrat mince électriquement conducteur à une température prédéterminée pendant une durée prédéterminée, effectuée après ladite étape de dépôt de la couche mince active. 30 Ceci permet de cristalliser la couche mince active sur le substrat électriquement conducteur pour lui conférer ses propriétés piézoélectriques. 3033552 6 Selon un aspect particulier de l'invention, la couche active est formée d'une pluralité de sous-couches minces de matériau piézoélectrique, ladite étape de traitement thermique étant effectuée pour chaque sous-couche mince de matériau piézoélectrique déposée. 5 Ceci favorise la formation d'une couche mince piézoélectrique de bonne qualité. Le nombre de sous-couches minces est fonction de la méthode de dépôt utilisée et de l'épaisseur de couche mince souhaitée au final. Selon un aspect particulier de l'invention, le procédé comprend en outre, pour chaque structure de base de l'empilement, une étape de dépôt, précédent ladite étape 10 de dépôt de la couche active, d'une couche mince de matériau conducteur à base de dioxyde de ruthénium, sur le substrat mince. Une telle couche permet d'améliorer les propriétés électriques de la couche mince piézoélectrique. Selon un aspect particulier de l'invention, le procédé comprend en outre une 15 étape de formation, dans la couche de revêtement : d'un premier trou traversant s'étendant de la couche mince de matériau électriquement conducteur vers l'extérieur de la couche de revêtement, de façon à permettre un accès l'électrode supérieure, d'un deuxième trou traversant s'étendant du substrat mince de matériau 20 électriquement conducteur vers l'extérieur de la couche de revêtement, de façon à permettre un accès à l'électrode inférieure. Une telle étape peut être réalisée par différentes techniques comme par exemple, par perçage mécanique, par gravure chimique, laser. Selon une caractéristique particulière, le matériau piézoélectrique de la couche 25 active est une céramique à base de Zircono-Titanate de Plomb de formule Pb(Zrx,Til_ x)03. Ce matériau présente de très bonnes propriétés piézoélectriques. Selon une caractéristique particulière, le matériau polymère élastiquement deformable appartient au groupe comprenant : un polymère de type élastomère thermoplastique ; 30 un polymère de type élastomère thermodurcissable. 3033552 7 Le matériau polymère sera choisi en fonction de ses propriétés mécaniques (rigidité, souplesse, imperméabilité, capacité à absorber et transmettre l'énergie mécanique à la couche active, etc.), de sa facilité de mise en place, de son coût. Selon une caractéristique particulière, ladite étape de dépôt d'une couche 5 mince de matériau piézoélectrique est réalisée selon une technique de dépôt appartenant au groupe comprenant : dépôt par voie chimique en solution (CSD) ; dépôt par voie sol-gel ; dépôt par voie chimique en phase vapeur (CVD) ; 10 dépôt physique par pulvérisation cathodique ; dépôt physique par ablation laser pulsé (PLD). Le dépôt par voie chimique en solution est privilégié du fait de son faible coût et sa simplicité de mise en oeuvre. Selon une caractéristique particulière, le substrat mince électriquement 15 conducteur présente une épaisseur comprise entre 10 et 30 micromètres, la couche active présente une épaisseur comprise entre 1 et 200 micromètres et la couche mince de matériau électriquement conducteur présente une épaisseur comprise entre 20 nanomètres et 1 um. Selon une caractéristique particulière, la structure de base encapsulée présente 20 une face inférieure et une face supérieure rectangulaires, chacune ayant une surface comprise entre 1 cm2 et 50 cm2. Ainsi, le principe est que le micro-générateur dispose d'une surface à l'échelle centimétrique pour avoir une surface de captation des vibrations mécaniques ambiantes élevée et d'une épaisseur à l'échelle micrométrique pour une élasticité 25 (souplesse) accrue. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un micro-générateur mécano-électrique, comprenant un empilement d'au moins une structure de base en couches minces, chaque structure de base comprenant une couche mince de matériau piézoélectrique agencée entre une première couche mince de matériau 30 électriquement conducteur formant une électrode inférieure et une deuxième couche mince de matériau électriquement conducteur formant une électrode supérieure, ledit 3033552 8 empilement étant revêtu d'une couche de revêtement à base d'au moins un matériau polymère élastiquement deformable. 5. LISTE DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture 5 de la description suivante, donnée à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 présente un exemple de structure d'un micro-générateur mécano-électrique obtenu à l'aide du procédé selon l'invention; - la figure 2 présente un organigramme d'un mode de réalisation particulier du 10 procédé selon l'invention. 6. DESCRIPTION DÉTAILLÉE Sur toutes les figures du présent document, les éléments et étapes identiques sont désignés par une même référence numérique. La figure 1 présente un exemple de structure d'un micro-générateur mécano- 15 électrique obtenu à l'aide du procédé selon l'invention. Le micro-générateur 100 fonctionne en basses fréquences, typiquement dans une gamme de fréquence comprise entre 0,1 et 1000 Hz. Il est dédié à l'alimentation de dispositifs électroniques de faibles puissances, typiquement de l'ordre de 10 nW à 100 u.W. Le micro-générateur 100 se présente sous la forme d'une structure en couches 20 minces superposées destinée à la récupération d'énergie sous flux d'air. Il comprend plus particulièrement : une structure de base en couches minces, référencée 50, elle-même comprenant : * un substrat mince 10 de matériau électriquement conducteur, tel qu'en 25 aluminium par exemple, formant l'électrode inférieure du micro- générateur ; une couche mince 20 de matériau piézoélectrique, à base de ZirconoTitanate de Plomb (noté PZT) de formule Pb(Zrx,Ti1,)03, disposée sur la surface du substrat mince 10; 3033552 9 une couche mince 30 de matériau électriquement conducteur, tel qu'en aluminium par exemple, s'étendant sur la surface de la couche mince de matériau piézoélectrique 20; une couche de revêtement élastiquement deformable 40 à base de polymère, en 5 polyéthylène par exemple, encapsulant la structure de base 50. La couche 20 de matériau piézoélectrique illustré ici peut être constituée elle-même d'une ou plusieurs couches minces superposées. Ceci dépend essentiellement de la méthode de dépôt utilisée et de l'épaisseur de couche piézoélectrique que l'on souhaite obtenir pour le micro-générateur. A des fins de simplification de la 10 description, on assimilera par abus de langage le terme « couche mince» à un ensemble de couches minces constituant la couche de matériau piézoélectrique 30. La couche mince PZT 20 constitue la couche active du micro-générateur, qui assure la conversion d'énergie mécanique (issue de vibrations mécaniques ambiantes) en énergie électrique. Par effet piézoélectrique, une tension entre les électrodes 15 inférieure 10 et supérieure 30 du micro-générateur 100 est générée lorsque la couche mince PZT 20 est soumise à une contrainte mécanique (comme un flux d'air par exemple). Dans cet exemple, la couche mince 20 a une épaisseur de l'ordre de 3 um et est de composition Pb(Zr0,50,Ti0,50)03. L'électrode inférieure 10 a une épaisseur de l'ordre 20 de 20 um et l'électrode supérieure 30 a une épaisseur de l'ordre de 300 nm. La couche de revêtement 40 présente une épaisseur de 50 um par exemple. Elle présente une face supérieure 41 et une face inférieure 42 sensiblement rectangulaire et de surface approximativement égale à 5 cm2 par exemple. Il convient de noter que ces dimensions sont données à titre purement 25 illustratif et peuvent bien entendu être différentes. Notamment, l'électrode inférieure 10 peut présenter une épaisseur comprise entre 10 et 30 micromètres, la couche active une épaisseur comprise entre 1 et 100 micromètres, l'électrode supérieure 10 une épaisseur comprise entre 20 nm et 1 um, et la couche de revêtement 40 une épaisseur comprise entre 10 um et 1 mm. 3033552 10 De même, la composition du matériau piézoélectrique est donnée à titre purement illustratif et ne doit pas être limitée à cet exemple. La composition Pb(Zrx,Til_ X)03 peut être choisie avec 0 REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un micro-générateur mécano-électrique (100), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - former un empilement d'au moins une structure de base en couches minces, chaque structure de base étant obtenue en : * déposant (200), sur un substrat mince électriquement conducteur (10) formant une électrode inférieure, une couche mince de matériau piézoélectrique (20), dite couche active ; déposant (220), sur la couche active, une couche mince de matériau électriquement conducteur (30) formant une électrode supérieure ; encapsuler (230) ledit empilement dans une couche de revêtement mince (40) à base d'au moins un matériau polymère élastiquement deformable. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre, pour chaque structure de base dudit empilement, une étape de traitement thermique (210) de la couche active déposée sur le substrat mince électriquement conducteur à une température prédéterminée pendant une durée prédéterminée, effectuée après ladite étape de dépôt de la couche mince active. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la couche active est formée d'une pluralité de sous-couches minces de matériau piézoélectrique, ladite étape de traitement thermique étant effectuée pour chaque sous-couche mince de matériau piézoélectrique déposée. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre, pour chaque structure de base dudit empilement, une étape de dépôt, précédent ladite étape de dépôt de la couche active, d'une couche mince de matériau conducteur à base de dioxyde de ruthénium, sur le substrat mince. 3033552 18 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre une étape de formation, dans la couche de revêtement : d'un premier trou traversant s'étendant de la couche mince de matériau électriquement conducteur vers l'extérieur de la couche de revêtement, de façon 5 à permettre un accès l'électrode supérieure, d'un deuxième trou traversant s'étendant du substrat mince de matériau électriquement conducteur vers l'extérieur de la couche de revêtement, de façon à permettre un accès à l'électrode inférieure. 10 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le matériau piézoélectrique de la couche active est une céramique à base de ZirconoTitanate de Plomb de formule Pb(Zrx,Ti1,)03. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le 15 matériau polymère élastiquement deformable appartient au groupe comprenant : un polymère de type élastomère thermoplastique ; un polymère de type élastomère thermodurcissable. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel ladite 20 étape de dépôt d'une couche mince de matériau piézoélectrique est réalisée selon une technique de dépôt appartenant au groupe comprenant : dépôt par voie chimique en solution (CSD) ; dépôt par voie sol-gel ; dépôt par voie chimique en phase vapeur (CVD) ; 25 dépôt physique par pulvérisation cathodique ; dépôt physique par ablation laser pulsé (PLD). 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le substrat mince électriquement conducteur présente une épaisseur comprise entre 10 30 et 30 micromètres, la couche active présente une épaisseur comprise entre 1 et 200 3033552 19 micromètres et la couche mince de matériau électriquement conducteur présente une épaisseur comprise entre 20 nanomètres et 1 um. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la 5 structure de base encapsulée présente une face inférieure et une face supérieure rectangulaires, chacune ayant une surface comprise entre 1 cm2 et 50 cm2. 11. Micro-générateur mécano-électrique, caractérisé en ce qu'il comprend un empilement d'au moins une structure de base en couches minces, chaque structure de 10 base comprenant une couche mince de matériau piézoélectrique agencée entre une première couche mince de matériau électriquement conducteur formant une électrode inférieure et une deuxième couche mince de matériau électriquement conducteur formant une électrode supérieure, ledit empilement étant revêtue d'une couche de revêtement à base d'au moins un matériau polymère élastiquement deformable. 15