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RÉSUMÉ
Les microsystèmes électromécaniques (MEMS) sont présents dans de nombreux domaines tels que le transport, la défense ou les télécommunications, et permettent, sur de petites surfaces, de réaliser des fonctions de capteurs et d'actionneurs. Pour ce faire, le MEMS a besoin d'une source d'énergie. Jusqu'à présent cette fonction est assurée par des batteries dont le principal défaut est la durée de vie. Une solution consiste donc à récupérer l'énergie dans l'environnement immédiat du microsystème. Cet article s'intéresse à la récupération de l'énergie vibratoire par des systèmes électrostatiques, et présente les principes de conversion ainsi qu'un état de l'art.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Sébastien BOISSEAU : Doctorant, CEA-LETI (Grenoble)
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Ghislain DESPESSE : Docteur-Ingénieur de recherche, CEA-LETI (Grenoble)
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Jean-Jacques CHAILLOUT : Docteur-Ingénieur de recherche, CEA-LETI (Grenoble)
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Alain SYLVESTRE : Maître de conférences, Université Joseph Fourier et laboratoire de Génie électrique de Grenoble (G2ELab)
INTRODUCTION
Les MEMS (microsystèmes électromécaniques) sont présents dans de nombreux domaines tels que le transport, la défense ou les télécommunications... et permettent, sur de petites surfaces, de réaliser des fonctions de capteurs et d'actionneurs. Pour ce faire, le MEMS a besoin d'une source d'énergie. Jusqu'à présent, cette fonction est assurée par des batteries dont le principal défaut est la durée de vie limitée. Une solution consiste donc à récupérer l'énergie dans l'environnement immédiat du microsystème. Nous nous intéressons ici à la récupération de l'énergie vibratoire par des systèmes électrostatiques, et en présentons les principes de conversion, ainsi qu'un état de l'art.
MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) are present in many fields such as transportation, defense and telecommunications... and can, with small dimensions, perform functions of sensors and actuators. To do so, MEMS require a source of energy. So far, this function is provided by batteries whose main fault is the limited lifetime. One solution is to harvest energy in the immediate vicinity of the microsystem. Here we focus on the harvesting of vibrational energy by electrostatic systems, and present the principles of conversion and a state of the art.
MEMS, récupération d'énergie, systèmes autonomes, électrets, systèmes capacitifs, systèmes électrostatiques, vibrations, conversion d'énergie, smart dusts, décharge Corona
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Domaine : énergie
Degré de diffusion de la technologie : Émergence
Technologies impliquées : électrets, fabrication microsystèmes, électronique
Domaines d'application : systèmes autonomes, capteurs sans fils, récupération d'énergie
Principaux acteurs français :
Centres de compétence : CEA Grenoble, ESIEE
Autres acteurs dans le monde : IMEC, Université de Tokyo, Caltech, Imperial College London, Omron, Sanyo
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Structures de récupération d'énergie mécanique par phénomènes électrostatiques2. Principe de la récupération d'énergie mécanique par systèmes électrostatiques
2.1 Prérequis : phénomènes vibratoires et systèmes résonants
De nombreuses sources de vibrations sont présentes dans notre environnement de tous les jours. Le tableau 1 en donne quelques exemples .
Comme nous pouvons le constater, les fréquences des vibrations sont généralement basses (< 150 Hz) et les accélérations faibles (< 1 g = 9,81 m · s–2).
HAUT DE PAGE2.2 Modélisation des structures résonantes – Application à la récupération d'énergie
Toutes les structures résonantes de récupération d'énergie vibratoire peuvent être modélisées de la façon suivante (figure 3) : une masse mobile m maintenue dans un cadre par un ressort k et amortie par des forces électrostatiques et des forces de frottements (félec et fméca). Les vibrations du milieu ambiant y (t ) appliquées au cadre induisent un déplacement relatif z (t ) de la masse mobile m par rapport au cadre. Une partie de l'énergie cinétique de la masse mobile est perdue du fait de la force d'amortissement mécanique fméca , tandis que l'autre partie est convertie en électricité, ce qui est modélisé par une force électrostatique félec de freinage.
D'après le principe fondamental de la dynamique (en négligeant la force de pesanteur) :
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