29
Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique https://greman.univ-tours.fr/ Guylaine POULIN-VITTRANT

Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

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Page 1: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

https://greman.univ-tours.fr/

Guylaine POULIN-VITTRANT

Page 2: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

2

Le monde de demain a besoin de

+ intégrables + performants + propres + efficaces en énergie

Le développe 3 champs de recherche:

Structuration en 4 équipes

Img ©flaticon.com

110 personnes

Page 3: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

La recherche au GREMAN - Champs d’application ciblés

Production, stockage & conversion de l’énergie électrique

Electronique nomade & récupération d’énergie

Mesures, contrôles et diagnostics pour l’industrie et la médecine

3

Page 4: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

Le GREMAN - 3 sites géographiques

Tours Sud

UFR Sciences et Techniques

Tours Nord

Site industriel de STMicroelectronics

Blois

INSA Centre Val de Loire

IUT de Blois

4

Page 5: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

5

PileGestion

d’alimentationMesure/action etCommunication

Récupération d’énergieUne alternative pour l’alimentation des objets communicants

Capteur cérébralCapteur

cochléaire

Capteur pulmonaire

Capteur activité musculaire

Capteur cardiaque

Capteur GPS

Page 6: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

HarvesterGestion

d’alimentationMesure/action etCommunication

Les sources d’énergie• Rayonnée : lumière, infrarouge, radio fréquence• Cinétique : vibration, mouvement• Thermique : gradients ou variations de température• …

Batterie

Capteur cérébralCapteur

cochléaire

Capteur pulmonaire

Capteur activité musculaire

Capteur cardiaque

Capteur GPS

Récupération d’énergieUne alternative pour l’alimentation des objets communicants

Page 7: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

HarvesterGestion

d’alimentationMesure/action etCommunication

Les sources d’énergie• Rayonnée : lumière, infrarouge, radio fréquence• Cinétique : vibration, mouvement• Thermique : gradients ou variations de température• …

Batterie

- - -

+++

+

-

-

+F

F

Effet piézoélectrique direct

Récupération d’énergieUne alternative pour l’alimentation des objets communicants

Page 8: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

Récupération d’énergie mécaniquepar les matériaux piézoélectriques

… au GREMAN

FabricationSynthèse de nanostructures ZnOFabrication de composants à nanostructures ZnO : nanogénérateurs, transistors

ModélisationModèles Analytiques ou Eléments Finisde générateurs piézoélectriques:• Composites à nanofils• Poutres vibrantes à couche

piézocéramique

CaractérisationStructurale (DRX, MEB, AFM…)Electrique:• Spectroscopie d’impédance• Caractérisation I-VFonctionnelle:• Banc de test en vibration• Banc de test en compression Aluminium stack

Shaker arm

Rubber

Strain gauge

VING

Screw

Page 9: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

Mechanical energy harvesting by piezoelectricmaterials

Compression Flexion

Quasi-static

Dynamic

<< resonance

Dynamic

at resonance

The type of mechanical excitation will determine the structure, workingmode and power level.

Forced

regime

at f < fresonance

Forced regime

at fresonance

or

Free vibration

Pconv

Freq

High stress

Impact

Quasi-static force

Low stress

Dynamic force

9

Page 10: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

10

Mechanical energy harvesting by piezoelectricmaterialsPiezoelectric bimorph :Thien HOANG, PhD thesis, 2019, in collab. with VERMON

Resonance Anti-resonance

Average output power

Contact:[email protected]@univ-tours.fr

Page 11: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

Mechanical energy harvesting by piezoelectricmaterials

Material Quartz BaTiO3 PZT KNN MFC PVDFPZN-

9PTAlN GaN ZnO

d33(10-12 m/V)

2,3 90300 à

700200 400 30 2500 7 1,9 10

Quartz PZT ceramics (50’s)

PVDF film (1969)

Macro Fibre Composites (early 90’s)

Monocristals(early 2000)

Piezocomposites(early 90’s)

Nanowires(early 2000)

11

Page 12: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

12

Choice of the best piezoelectric material for a given application:Intrinsic figure of merit?

Importance of piezo coefficients but also dielectric permittivity

S. Priya, IEEE Trans. Ultrason. Ferro. Freq. Control 57(12) (2010) 2610-2612

Behind a FoM, some specific conditions (type of excitation and electrical load)

𝐹𝑜𝑀 = 𝑑. 𝑔 𝐹𝑜𝑀 =𝑑. 𝑔

tan 𝛿

Far from resonance:

𝐹𝑜𝑀 =𝑑2

ε tan 𝛿

efficiency𝐹𝑜𝑀 =𝑑. 𝑔

𝑠33𝐸 =

𝑊𝑐𝑜𝑛𝑣

𝑊𝑚𝑒𝑐𝑎= 𝑘33

2

At resonance of a cantilever beam 𝐹𝑜𝑀 =𝑘312 𝑄𝑚

𝑠11𝐸

Mechanical energy harvesting by piezoelectricmaterials

Page 13: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

Mechanical energy harvesting by piezoelectricmaterials

Material Quartz BaTiO3 PZT KNN MFC PVDFPZN-

9PTAlN GaN ZnO

d33(10-12 m/V)

2,3 90300 à

700200 400 30 2500 7 1,9 10

Quartz PZT ceramics (50’s)

PVDF film (1969)

Macro Fibre Composites (early 90’s)

Monocristals(early 2000)

Piezocomposites(early 90’s)

Nanowires(early 2000)

13

Page 14: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

14

EnSO project is focusing on Autonomous Micro Energy Sources (AMES) :

EnSO “Energy for Smart Objects” (ECSEL H2020 project, 2016-2020)

Datatransmit

Dataprocessing

Sensor

AutonomousMicro Energy

Source

AMES

Ambient energy

http://www.enso-ecsel.eu

Energy storage

Power converter

Energy harvesting

Wireless charging

Demonstrate the competiveness and manufacturing readiness of AMES (large scale pilot line)

Disseminate and standardize EnSO energy solutions

SolarThermalMechanical

Page 15: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

Mechanical energy harvesting by piezoelectricmaterials

15

Effect of composite structuration

H J Lee et al., Sensors 2014, 14, 14526-14552

S. Boubenia, Thèse Univ. Tours, 2019

Page 16: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

16

Piezoelectric nanogenerators incorporating ZnOnanowires

Wang et al., Materials today 7, 6 (2004) 26–33

Zinc oxide nanostructures : a multi-functional material

Wurtzite type crystal structure of ZnO Substrate compatibility

Single-crystalline highly aligned ZnO NWs Large area NWs arrays on a variety of substrates: silicon, glass and plastic Preferentially c-axis oriented perpendicular to the growth substrate Semiconducting : wide band gap of 3.37 eV at room temperature Piezoelectric : higher piezo coefficient than bulk ZnO

Large family of nanostructures

Opoku et al. Nanotechnology 26 (2015) 355704

Page 17: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

17

Main attractions: Higher piezo coefficient compared to bulk ZnO

Zinc oxide nanostructures : a multi-functional material

Transverse Force

LongitudinalForce

V-

V+

V-

V+

E. L. Perez, Thèse Univ. Grenoble Alpes, 2016

Piezoelectric nanogenerators incorporating ZnOnanowires

Page 18: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

18

Main attractions: Higher piezo coefficient compared to bulk ZnO Does not fracture easily [1] Failure of one nanowire (NW) may not compromise operation Energy generation over a range of frequencies (1Hz to some 100 Hz) Biocompatible

Zinc oxide nanostructures : a multi-functional material

Transverse Force

LongitudinalForce

V-

V+

V-

V+

[1] H. D. Espinosa et al., Adv. Mater. 2012, 24, 4656-4675

Piezoelectric nanogenerators incorporating ZnOnanowires

Page 19: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

19

Autoclave

Reactants:• Zinc nitrate hexahydrate : Zn(NO3)2 · 6H2O• HMTA (Hexamethylenetetramine) : (CH₂)₆N₄• Ammonia : NH4OH

Hydrothermal synthesis of ZnO nanowires (NWs):

Major advantages:

Low temperature (85-100 ˚C) Compatible with industrial processes

Major limitations:

Defects decrease of output voltageOpoku et al., Nanotechnology 26 (2015) 355704Opoku et al., RSC Adv. 5 (2015) 69925-69931Boubenia et al., Scientific Reports (2017)

NWs length versus growth time

Piezoelectric nanogenerators incorporating ZnOnanowires

Page 20: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

Piezoelectric nanogenerators incorporating ZnOnanowires

20

Wish list

ZnO NWsLow-cost synthesis : hydrothermal synthesis (85°C) Highly orientated along polar axisStrong NW adhesion to substrateHigh quality ZnO NWs : intensive research on how to decrease the intrinsic N-type doping of ZnO NWs (usually 1018cm-3) by 1 or 2 decades

Polymer matrix

Top contact

All must be performed at temp <100oC

Page 21: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

21

Piezoelectric nanogenerators incorporating ZnOnanowires

ZnO NWs

Polymer matrixFully conformalStrong adhesionSimple depositionAllow NWs to flexCreates capacitive coupling

Top contact

Parylene Cdeposited by CVD (Chemical VaporDeposition)

All must be performed at temp <100oC

Wish list

Page 22: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

Piezoelectric nanogenerators incorporating ZnOnanowires

22All must be performed at temp <100oC

ZnO NWs

Polymer matrix

Top contactGood adhesion on polymerElectrically conductiveMechanically robustFlexible if the whole NG is research on flexible electronics

Ti/Al electrodedeposited bysputtering

Wish list

Page 23: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

Piezoelectric nanogenerators incorporating ZnOnanowires

23

ZnO NWs

Polymer matrix

Top contactGood adhesion on polymerElectrically conductiveMechanically robustFlexible if the whole NG is research on flexible electronics

Ti/Al electrodedeposited bysputtering

100/400 nm

300 nm

1.2 µm

100/200 nm

Ti/AlParylene C

ZnO NWs

Ti/Au

Manufacturing process : video available on https://youtu.be/n9-4dSQrveU

Wish list

Page 24: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

24

Dedicated test bench for piezogenerators

Aluminium stack

Shaker arm

Rubber

Strain gauge

VING

Screw

Computer

Mechanicalshaker

Oscilloscope

Resistivedecade box

AmplifierFunctiongenerator

Keithleycurrent meter

• Compressive force in contact or impact mode up to 13N, 10Hz• Voltage measured via a high input impedance double buffer circuit• Variable resistive load up to 130 M

SNGU

Piezoelectric nanogenerators incorporating ZnOnanowires

Page 25: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

25

Varying compressive force

Durability test

High pressure sensitivity of 0.1 V/kPa

@ 3 N, 7 Hz, 1 cm2:Peak power : 0.6 µWAverage power : 0.1 µW

0 1 2 3 4 5 6-8

-4

0

4

8

12110 kPa

96 kPa76 kPa

Op

en

circu

it v

olta

ge

(V

)

Time (sec)

50 kPa

Area of device = 1.2 cm2

Frequency = 5 Hz

40.0k 60.0k 80.0k 100.0k 120.0k2

4

6

8

10

Experimental data

Linear fitting

Op

en

circu

it v

olta

ge

(V

)

Pressure (Pa)

Frequecny @ 5Hz

Resistance@128 M

S = 0.09 V/kPa

Power vs load resistance

-2

-1

0

1

2

3

40000 20000 10000 1000 500

Op

en

circu

it v

olta

ge

(V

)

Time (a.u.)

6N, 5Hz

1

Number of stress cycles

104

105

106

107

108

0.0

100.0n

200.0n

300.0n

400.0n

500.0n

600.0n

Pow

er

(W)

Resistance ()

3Hz

5Hz

7Hz

Pressure = 50 kPa

Piezoelectric nanogenerators incorporating ZnOnanowires

Page 26: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

26

Large area device on bank cards

Hand excitation

10k 100k 1M 10M 100M 1G0.0

10.0µ

20.0µ

30.0µ

40.0µ

50.0µ Hand tapping @100kPa

Active area = 8cm2

Load Resistance (ohm)

Po

we

r (W

att)

10k 100k 1M 10M 100M 1G

0

5

10

15

20

25

30

@100kPa

Active area = 8cm2

Load Resistance (ohm)

Voltage

(V

)

2.0µ

4.0µ

6.0µ

8.0µ

10.0µ

12.0µ

Cu

rren

t (A

) 35 µW

Front side Back side

Direct connection with LCD

Drive electronic devices such asLiquid Crystal Display

Piezoelectric nanogenerators incorporating ZnOnanowires

Page 27: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

27

Acknowledgments

Former members

Sarah Boubenia

Daniel Alquier

François Morini

AbhishekDahiya

http://www.nanofil-flexible.fr/

Camille Justeau

Kevin Nadaud

Kiron P. RajeevCharles

Opoku

Nicolas Camara

Christopher Oshman

Damien Valente

TaoufikTlemcani

ChandraChandraiahgari

Page 28: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

28

“ZnO nanowires” project was supported by:

• The collaborative technological platform CERTEM 2020

• Région Centre funding “MEPS” (Module à Energie Perpétuelle sur Substrat flexible)

• National funding ANR “FLEXIBLE” (ANR-14-CE08-0010-01)

http://www.nanofil-flexible.fr/

• ECSEL JU “EnSO” project under grant agreement N° 692482

http://www.enso-ecsel.eu/

“Piezoelectric devices for energy harvesting” project was supported by:

• ANR LabCOM “Lab-TMEMS” (Transducteurs et Microconvertisseurs

Electromécaniques pour applications MédicaleS)

• Région Centre funding “DIPIR” (Dispositif piézoélectrique sans plomb de

récupération d’énergie)

Acknowledgments

Page 29: Récupération d’énergie mécanique piézoélectrique

29

T. Hoang, G. Poulin-Vittrant, G. Ferin, F. Levassort, C. Bantignies, A. Nguyen-Dinh, M. Bavencoffe, Parametric study of a thin piezoelectric cantilever for energy harvesting applications, Advances in Applied Ceramics, 117 (2017) 231-236https://doi.org/10.1080/17436753.2017.1403538

K. Nadaud, G. Poulin-Vittrant, D. Alquier, Effect of the excitation waveform on the average power and peak power delivered by a piezoelectric generator, Mechanical Systems and Signal Processing 133 (2019) 106278https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2019.106278

G. Poulin-Vittrant, A. S.Dahiya, S. Boubenia, K. Nadaud, F. Morini, C. Justeau, D. Alquier, Challenges of low-temperature synthesized ZnO nanostructures and their integration into nano-systems, Materials Science in Semiconductor Processing 91 (2019) 404-408https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.12.013

A. S. Dahiya, F. Morini, S. Boubenia, K. Nadaud, D. Alquier, G. Poulin-Vittrant, Organic/Inorganic hybrid stretchable piezoelectric nanogenerators for self-powered wearable electronics, Advanced Materials Technologies (2017) 1700249https://doi.org/10.1002/admt.201700249

A. S. Dahiya , C. Opoku, G. Poulin-Vittrant, N. Camara, C. Daumont, E. G. Barbagiovanni, G. Franzò, S. Mirabella, D. Alquier, Flexible organic/inorganic hybrid field-effect transistors with high performance and operational stability, ACS Appl. Mater. Interfaces 9 (1) (2017) 573–584http://dx.doi.org/10.1021/acsami.6b13472

A.S. Dahiya, C. Opoku, R.A. Sporea, B. Sarvankumar, G. Poulin-Vittrant, F. Cayrel, N. Camara, D. Alquier, Single-crystallineZnO sheet source-gated transistors, Scientific Reports 6 (2016) 19232https://doi.org/10.1038/srep19232

References