Jury :

M. Lucian DASCALESCU

Professeur, PPRIME, Poitiers, Rapporteur

M. Elie LEFEUVRE

Professeur, Université Paris-Sud, Paris, Rapporteur

M. Skandar BASROUR

Professeur, TIMA, Grenoble, Examinateur

M. Davide FABIANI

Maître de conférence, Université de Bologne, Italie, Examinateur

M. Stéphane MONFRAY

Ingénieur de recherche, ST Microelectronics, Crolles, Invité

Mme. Claire JEAN-MISTRAL

Maître de conférences, INSA Lyon, Lyon, Co-directrice

M. Alain SYLVESTRE

Professeur, Université Grenoble-Alpes, Directeur de thèse

Résumé :

Dans le domaine médical ou sportif, les capteurs embarqués ont gagné, ces dernières années, en précision, fiabilité et robustesse, tout en se miniaturisant. Développer des générateurs qui convertissent l’énergie mécanique disponible sur le corps humain en électricité constitue une voie très prometteuse afin de rendre ces capteurs autonomes. Dans ce contexte, en 2013, un premier générateur souple a été développé au sein de notre équipe au G2Elab en collaboration avec le laboratoire LaMCoS. Ce générateur électrostatique est conçu à partir d’élastomères électro-actifs, basés sur la déformation de matériaux souples (polyacrylates, silicones) incorporés entre deux électrodes déformables, et d’un électret qui n’est autre qu’un isolant développant un potentiel de surface. Ces structures présentent l’avantage d’être légères, peu chères, souples et peuvent être fabriquées suivant des géométries complexes. De plus, elles fonctionnent dans de vastes gammes de températures et de fréquence (<100 Hz), les rendant ainsi attractives pour la récupération et la conversion d’énergie cinétique humaine. L’objectif de ce travail de thèse était d’optimiser ce premier générateur pour concevoir une seconde génération plus performante en termes d’énergie récupérée, beaucoup plus adaptable sur le corps humain et développant une durée de vie accrue. Nouvelles familles d’électrets, jouant le rôle de réservoir de charges pour la polarisation du générateur, ont été étudié. Pour finir, de nouveaux générateurs hybrides basés sur différents modes de fonctionnement mais aussi sur l’association de divers matériaux électro-actifs ont été conçus. 

Summary :

Over the last years, embedded sensors have gained in accuracy and precision, while following the demands of miniaturization and lower power consumption. Scavenging human kinetic energy to produce electricity is an attractive alternative for the power supply of these low-power-consumption devices. E-textiles for health-monitoring or biomedical implants are some of the possible applications that could benefit from a self-powering system. In this context, in 2013, a first prototype of soft energy scavenger was developed by our research group through the collaboration between LaMCoS and G2Elab laboratories. This electrostatic generator was based on the dielectric elastomers generators (DEGs) technology, which relies on the mechanical deformation of a thin layer of dielectric material (acrylic or silicone) sandwiched between two compliant electrodes, and an electret material, namely an insulator developing a surface potential. The main advantages of these hybrid scavengers are their low-cost, compliance, light-weight and adaptability to complex shapes. In addition, they can work on a large scale of temperatures and frequencies (<100Hz), which make them attractive to harvest and convert human kinetic energy. The objectives of this PhD work were focused on the first prototype optimization to realize a second-generation device with higher energy output, better suitability for wearable applications and longer lifetime. Investigations on new conformant electret materials representing the charges reservoir for electrostatic generator polarization in the scavenger structure were performed. To conclude, new alternatives hybrid scavengers based on different operating principles but also on various association of electro-active materials were designed.