Modeling and design of thermomechanical conversion systems for thermal energy harvesting applications

Le développement de systèmes de récupération d’énergie (ou energy harvesting systems en anglais) va de pair avec l’émergence de l’Internet des Objets et notamment la prolifération de réseaux de capteurs devant répondre aux besoins croissants en informations, que ce soit dans le domaine de l’industrie, de la sante, de la domotique ou de l’environnement qu’il soit urbain ou naturel. Les progrès réalisés ces dernières années dans le domaine des Technologies de l’Information et de la Communication ont permis de lever certains verrous technologiques au déploiement de ces réseaux de capteurs intelligents et autonomes, notamment grâce a l’amélioration des performances intrinsèques des composants microélectroniques (vitesse, consommation), la conception de circuits plus économes en énergie, ou bien la mise en place de standards de communications radio adaptes a ces contraintes énergies. Etant donné l’ubiquité des sources d’énergie, la fabrication de générateurs permettant d’alimenter directement ces capteurs à partir de ces sources représente une alternative viable à l’utilisation de batteries pour prolonger la durée de vie de ces capteurs communicants. Diverses technologies de générateurs ont ainsi été proposes pour s’adapter aux différentes formes que peut prendre l’énergie, qu’elle soit d’origine thermique, mécanique, solaire ou électromagnétique.Le présent travail est une contribution au développement de certains dispositifs de récupération thermiques basés sur l’exploitation des propriétés thermiques et mécaniques de bilames thermostatique. Ce type de générateurs, propose et développe au sein de STMicroelectronics à Crolles, se veut être une alternative fiable et bas cout a l’utilisation de matériaux thermoélectriques exploitant l’effet Seebeck pour générer de l’énergie électrique. Divers dispositifs ont déjà été fabriqués, démontrant la capacité des moteurs thermiques à base de bilames thermostatiques à alimenter des capteurs autonomes en fonctionnement synchrone et asynchrone. L’objectif de cette thèse est alors de démontrer la possibilité de miniaturiser de tels moteurs thermiques grâce aux techniques de fabrications utilisées en microélectronique. Afin de garantir le fonctionnement de ces systèmes a micro-échelle, un important travail de fond a d’abord été effectue sur la compréhension et la modélisation des phénomènes de couplages thermomécaniques a l’origine du comportement bistable des membranes bimétalliques. Ce travail a débouché sur la démonstration théorique du fonctionnement des moteurs thermiques a base de bilames et sur l’évaluation de leur performances énergétiques (énergie disponible, efficacité thermique, efficacité de Carnot relative). Dans la continuité de ce premier modèle, d’autres travaux ont été menés pour évaluer les performances de moteurs thermiques exploitant différents phénomènes de couplage électromécanique en vue de convertir l’énergie mécanique générée par les bilames thermostatiques en énergie électrique exploitable par les capteurs autonomes. La simulation du comportement des micro-générateurs à l’aide de ces divers modèles a debouché sur des lois d’échelles sur les performances des moteurs thermiques. Finalement, divers procédés de fabrications ont ete développé pour permettre la fabrication de microstructures thermiquement bistables.The development of energy harvesting systems is linked to the emergence of the Internet of Things (IoT) and especially the proliferation of Wireless Sensors Networks that should respond to the growing needs for monitoring data in domains as diverse as the industry, the urban or natural environments, the home, or the human body etc. Recent progress in the field of information technologies have enabled to remove some of the technical obstables to the deployment of these smart and autonom devices, in particular thanks to the improvement of the performances of microelectronic components, the design of ultra-low-power circuits, or the creation of wireless communications standards adapted to the energy needs of wireless sensors. Given the great availability of energy sources, energy harvesters are reliable alternatives to batteries in order to extend the autonomy of these sensors. Various technologies of generators have been developped to adapt to the type of local energy sources (heat, vibration, light, radio-frequencies).The present work is a contribution to the development of thermal energy harvesters exploting the thermal and mechanical properties of bimetal thermostats. This type of technology developped at STMicroelectronics are intended to be a reliable and low-cost alternative to the use of thermoelectric materials exploing Seebeck effect to generate electricity from heat. Various devices were already fabricated at the macro-scale, demonstrating their ability to power wireless sensor nodes. In the continuity of these works, this PhD thesis aims to demonstrate the operation of these generators at the sub-millimetric scale. As a consequence, an important work on the modeling of the thermo-mechanical instability of bimetallic strips was made to understand the operation of bimetallic strip heat engines. This work enabled to theoretically demonstrate the capability of bimetallic to transform heat into mechanical energy and to evaluate the performances of such heat engines. Coupling between bimetallic strip heat engines and electro-mechanical transducers was also modeled to compare the performances of the current prototypes of generators. We then modeled the thermo-mechanical behavior of composite beams at the microscale and established scaling rules of the performances of the bimetallic strip heat engines, We finally developped microlectronic fabrication process to manufacture thermo-mechanically bistable beams at the microscale