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