Nous avons abordé dans le cadre de ce travail de thèse diverses problématiques fondamentales qui touchent tout d’abord à l’élaboration de nouveaux polymères à propriétés viscoélastiques contrôlées (exemple : variation du module de Young pour de basses fréquences) et ensuite aborder l’intégration de ces matériaux dans des capteurs ou actionneurs de petites dimensions. Les études amont abordées dans ce travail de thèse nous ont permis de constituer un socle solide de connaissances pour le développement de nouveaux dispositifs mettant en jeu par exemple des matrices de micro-actionneurs ou micro-capteurs sur des substrats souples en polymère. Ces aspects applicatifs sont développés dans le cadre de projets collaboratifs menés avec des partenaires académiques. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons conçu, fabriqué et caractérisé des matériaux polymères micro-structurés. Nous avons chargé ces matériaux micro-structurés pour obtenir des matériaux avec un comportement piézoélectrique. Ces matériaux sont caractérisés en piézoélectricité indirecte par la spectroscopie d’impédance pour étudier la stabilité thermique de la piézoélectricité dans ces structures. Nos matériaux ont montré une réponse piézoélectrique importante avec un coefficient piézoélectrique longitudinal de 350pC/N. La piézoélectricité est maintenue sur une large gamme de température allant de -25°C à 85°C. Des améliorations ont été réalisées en chargeant les structures à hautes températures comparées aux structures chargées à la température ambiante. Par la suite, Nous avons testé électro-mécaniquement ces structures, ces dernières ont montré des coefficients piézoélectriques importants dans la gamme de fréquence de 1Hz à 100Hz pouvant ainsi couvrir toutes les fréquences de résonance des vibrations existant dans notre vie quotidienne. Des études ont été menées pour les caractérisations diélectriques par la spectroscopie d’impédance des structures non-chargées. De plus des caractérisations des polymères viscoélastiques par DMA (Dynamic Mechanical Analyzer) afin d’obtenir le comportement fréquentiel de leur module de Young. Les résultats expérimentaux sont analysés en lien avec les propriétés structurales des matériaux. Un prototype a été réalisé afin d’étudier la faisabilité d’un accéléromètre ou un récupérateur d’énergie avec les matériaux ainsi obtenus. / We studied within this working thesis various fundamental issues that affect the development of new controlled viscoelastic polymer properties (eg variation of Young's modulus at low frequencies) and then the integration of these materials in sensors.Preliminary studies discussed in this thesis allowed us to build a solid knowledge for the development of new devices involving such micro-actuator arrays or micro-sensors on flexible substrates in polymer. These applications areas are developed through collaborative projects with academic partners.As part of this thesis, we have designed, fabricated and characterized micro-structured polymer materials. We charged these micro-structured materials for a piezoelectric material with behavior. These materials are characterized in inverse piezoelectric mode by the dielectric resonance spectroscopy to study the thermal stability of piezoelectricity in these structures. Our materials showed a significant response with a longitudinal piezoelectric coefficient of 350pC/N. Piezoelectricity is maintained over a wide temperature range from -25 ° C to 85 ° C. Improvements were carried out by charging the structures to high temperatures compared to structures responsible at room temperature.Subsequently, we tested electro-mechanically these structures, the latter showed significant piezoelectric coefficients in the frequency range of 1Hz to 100Hz and can cover all the resonance frequencies of the vibrations existing in our daily life.Studies were realized on the dielectric characterization by impedance spectroscopy of the uncharged structures. In addition, characterizations of the viscoelastic polymers by DMA (Dynamic Mechanical Analyzer) to obtain the frequency behavior of their Young's modulus. The experimental results are analyzed in relation to the structural properties of the materials.A prototype was realized to study the feasibility of an accelerometer or an energy harvester with the obtained materials.

Os circuitos ou modelos elétricos equivalentes destinam-se à modelagem de transdutores piezoelétricos, incluindo todo seu comportamento eletromecânico. Os modelos elétricos convencionais e clássicos foram elaborados inicialmente para materiais cerâmicos e cristalinos e só posteriormente adaptados para a simulação de polímeros piezoelétricos. Seguindo estes estudos, este trabalho apresenta um circuito elétrico equivalente para transdutores construídos com a tecnologia dos piezoeletretos termo-formados, desenvolvida no Grupo de Alta Tensão e Materiais da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC-USP). Este circuito, baseado em um modelo proposto por Fiorillo (2000) para simular um transdutor curvo de fluoreto de polivinilideno (PVDF), foi aprimorado para melhor representar o comportamento em baixas frequências. Nele existem dois ramos: um mecânico e um elétrico. Os parâmetros do ramo mecânico foram calculados nas proximidades da frequência de ressonância das amostras, enquanto que os componentes do ramo elétrico foram determinados pelos ajustes das curvas de condutância e de susceptância para frequências distantes da ressonância. Esta etapa compreendeu o desenvolvimento de um algoritmo baseado na taxa de variação da condutância pela frequência, o qual permitiu determinar um método para separação do espectro de frequência em uma região próxima e outra distante da frequência de ressonância. Após a determinação de todos os parâmetros do modelo elétrico, circuitos para simulação no software Pspice foram elaborados para cada transdutor. Os resultados das simulações da condutância, da susceptância, do módulo da impedância e do ângulo de fase dos circuitos mostraram relevante concordância com as medições quando comparados grafica e numericamente. Esta última análise foi feita através da expressão de erro relativo percentual médio. Neste trabalho, empregou-se a metodologia fundamentada nas medidas da condutância e da susceptância de diferentes amostras, incluindo filmes de polipropileno (PP), de PVDF e de piezoeletretos de canais tubulares abertos de Teflon®FEP. / Equivalent electric circuits or models are regularly employed in piezoelectric transducers modeling, including its electromechanical behavior. Conventional and classic electric models were initially developed for ceramic and crystalline materials and later adapted for simulating piezoelectric polymers. Following these studies, this work presents an equivalent electric circuit for transducers built with the piezoelectret thermo-formed technology, developed by the High Voltage and Materials Group of São Carlos Engineering School (EESC-USP). This circuit, based on a model proposed by Fiorillo (2000) for simulating a curved polyvinylidene fluoride (PVDF) transducer, was improved to represent the behavior at low frequencies. There are two branches in this circuit: a mechanical and an electrical branches. The mechanical branch parameters were calculated in the vicinity of the resonance frequency, whereas the components of the electrical branch were determined by conductance and susceptance curves fittings for frequencies far from resonance. This stage included the development of an algorithm based on the rate of change of conductance, which allowed determining a method to separate the frequency spectrum in near resonance and far from resonance. After determining all parameters, electrical circuits were designed to perform simulations using Pspice software. The results for conductance, susceptance, impedance magnitude and phase angle simulations presented relevant agreement with measurements when compared graphically and numerically. This latter analysis was done by error relative expression. In this work, the methodology was based on conductance and susceptance measurements for different samples, including porous polypropylene (PP), PVDF and Teflon®FEP piezoelectrets with open-tubular channels films.

Os circuitos ou modelos elétricos equivalentes destinam-se à modelagem de transdutores piezoelétricos, incluindo todo seu comportamento eletromecânico. Os modelos elétricos convencionais e clássicos foram elaborados inicialmente para materiais cerâmicos e cristalinos e só posteriormente adaptados para a simulação de polímeros piezoelétricos. Seguindo estes estudos, este trabalho apresenta um circuito elétrico equivalente para transdutores construídos com a tecnologia dos piezoeletretos termo-formados, desenvolvida no Grupo de Alta Tensão e Materiais da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC-USP). Este circuito, baseado em um modelo proposto por Fiorillo (2000) para simular um transdutor curvo de fluoreto de polivinilideno (PVDF), foi aprimorado para melhor representar o comportamento em baixas frequências. Nele existem dois ramos: um mecânico e um elétrico. Os parâmetros do ramo mecânico foram calculados nas proximidades da frequência de ressonância das amostras, enquanto que os componentes do ramo elétrico foram determinados pelos ajustes das curvas de condutância e de susceptância para frequências distantes da ressonância. Esta etapa compreendeu o desenvolvimento de um algoritmo baseado na taxa de variação da condutância pela frequência, o qual permitiu determinar um método para separação do espectro de frequência em uma região próxima e outra distante da frequência de ressonância. Após a determinação de todos os parâmetros do modelo elétrico, circuitos para simulação no software Pspice foram elaborados para cada transdutor. Os resultados das simulações da condutância, da susceptância, do módulo da impedância e do ângulo de fase dos circuitos mostraram relevante concordância com as medições quando comparados grafica e numericamente. Esta última análise foi feita através da expressão de erro relativo percentual médio. Neste trabalho, empregou-se a metodologia fundamentada nas medidas da condutância e da susceptância de diferentes amostras, incluindo filmes de polipropileno (PP), de PVDF e de piezoeletretos de canais tubulares abertos de Teflon®FEP. / Equivalent electric circuits or models are regularly employed in piezoelectric transducers modeling, including its electromechanical behavior. Conventional and classic electric models were initially developed for ceramic and crystalline materials and later adapted for simulating piezoelectric polymers. Following these studies, this work presents an equivalent electric circuit for transducers built with the piezoelectret thermo-formed technology, developed by the High Voltage and Materials Group of São Carlos Engineering School (EESC-USP). This circuit, based on a model proposed by Fiorillo (2000) for simulating a curved polyvinylidene fluoride (PVDF) transducer, was improved to represent the behavior at low frequencies. There are two branches in this circuit: a mechanical and an electrical branches. The mechanical branch parameters were calculated in the vicinity of the resonance frequency, whereas the components of the electrical branch were determined by conductance and susceptance curves fittings for frequencies far from resonance. This stage included the development of an algorithm based on the rate of change of conductance, which allowed determining a method to separate the frequency spectrum in near resonance and far from resonance. After determining all parameters, electrical circuits were designed to perform simulations using Pspice software. The results for conductance, susceptance, impedance magnitude and phase angle simulations presented relevant agreement with measurements when compared graphically and numerically. This latter analysis was done by error relative expression. In this work, the methodology was based on conductance and susceptance measurements for different samples, including porous polypropylene (PP), PVDF and Teflon®FEP piezoelectrets with open-tubular channels films.

No final da década de 90, foi observado que filmes de espumas poliméricas carregadas eletricamente poderiam apresentar elevados coeficientes piezoelétricos quando eletricamente carregados. Isso devido a macro dipolos elétricos, formados por cargas elétrica opostas aprisionadas nas superfícies internas das cavidades do material. Esses filmes porosos, receberam os nomes de piezoeletretos ou ferroeletretos. Inicialmente produzidos por microextrusão aerada a partir de polipropileno, esses piezoeletretos estimularam as pesquisas devido aos elevados coeficientes piezoelétricos apresentados. No entanto, à baixa estabilidade térmica desse material, limitou sua aplicação em temperaturas mais elevadas. Isso direcionou as pesquisas para técnicas de produção de espumas com outros materiais. Recentemente, uma nova abordagem com dois filme de Teflon FEP moldados e colados por fusão, mostrou-se viável na produção de estruturas com cavidades fechadas. Por meio desse processo termo-moldado, não só estruturas termicamente mais estáveis foram produzidas mas também com elevados coeficientes piezoelétricos. Porém a principal vantagens desse processo foi a possibilidade de produzir estruturas com cavidades bem definidas, o que permite um carregamento mais uniforme e controle na freqüência de ressonância. Contudo, todos os processos de produção de piezoeletretos apresentados, possuem algumas limitações, como, por exemplo, o controle efetivo das cavidades e limites quanto ao número de camadas, o que tem se observado aumenta a resposta elétrica. Neste trabalho, é apresentada uma nova técnica para a produção de piezoeletretos, baseada em um sistema de laminação. Este possibilita elaborar estruturas com total controle das cavidades, através da fusão de dois poliméricos juntamente com um molde pré-fabricado. Os coeficientes piezoelétricos obtidos com essas estruturas foram similares aos encontrados nas espumas e termicamente mais estáveis quando produzidas com fluoropolímeros. Ainda neste trabalho foram analisadas a influência da altura e largura das cavidades no coeficiente piezoelétrico, o comportamento de estruturas formadas com diferentes polímeros, e também a versatilidade de estruturas com múltiplas camadas. / At the end of 90´s, it was observed that electrically charged foams made from polymers films could exhibit very high piezoelectric coefficients, due to macro-dipoles formed by trapped charges in the inner surfaces of the internal voids of the film. This films with small cavities after has been electrically charged received the names of piezoelectrets or ferroelectrects. They were initially prepared from polypropylene grains extruded into films in a physical blow process. However, the low thermal stability of the piezoelectric coefficient presentec by this voided films, motivated researches to explore different materials which were thermically more stables. Recently a new approach, were two Teflon FEP films were molded and fused to produce cavities with bubbles shapes was presented. These thermo-fused structures reveal also to present very high piezoelectric coefficients, after received properly charging. One of the major advantages of this molded structures piezoelectrets is the possibility to create piezoelectrets with well defined voids, which is supposed to provide a more homogeneous charging and a broadband frequency control. Nevertheless, the methods to produce homogenic structures developed so far are still facing problems to control the cavities and to create multi-layer structures. In this work a new process to produce piezoelectrets is presented. The method based on the lamination of two polymer films with a pre-fabricated template provides full control of the air cavities. After the template is removed, a well defined open channel structures is formed. Later when electrodes are deposited on both sides of the fused films the structure is electrically chargec and a piezoelectret with piezoelectric coefficients similar to the foams is formed. With this new controlled process to prepare piezoeletrets several parameters of the cavities were investigated, including the comparison of ferroelectretcs made from different materials and multi-layers samples.

No final da década de 90, foi observado que filmes de espumas poliméricas carregadas eletricamente poderiam apresentar elevados coeficientes piezoelétricos quando eletricamente carregados. Isso devido a macro dipolos elétricos, formados por cargas elétrica opostas aprisionadas nas superfícies internas das cavidades do material. Esses filmes porosos, receberam os nomes de piezoeletretos ou ferroeletretos. Inicialmente produzidos por microextrusão aerada a partir de polipropileno, esses piezoeletretos estimularam as pesquisas devido aos elevados coeficientes piezoelétricos apresentados. No entanto, à baixa estabilidade térmica desse material, limitou sua aplicação em temperaturas mais elevadas. Isso direcionou as pesquisas para técnicas de produção de espumas com outros materiais. Recentemente, uma nova abordagem com dois filme de Teflon FEP moldados e colados por fusão, mostrou-se viável na produção de estruturas com cavidades fechadas. Por meio desse processo termo-moldado, não só estruturas termicamente mais estáveis foram produzidas mas também com elevados coeficientes piezoelétricos. Porém a principal vantagens desse processo foi a possibilidade de produzir estruturas com cavidades bem definidas, o que permite um carregamento mais uniforme e controle na freqüência de ressonância. Contudo, todos os processos de produção de piezoeletretos apresentados, possuem algumas limitações, como, por exemplo, o controle efetivo das cavidades e limites quanto ao número de camadas, o que tem se observado aumenta a resposta elétrica. Neste trabalho, é apresentada uma nova técnica para a produção de piezoeletretos, baseada em um sistema de laminação. Este possibilita elaborar estruturas com total controle das cavidades, através da fusão de dois poliméricos juntamente com um molde pré-fabricado. Os coeficientes piezoelétricos obtidos com essas estruturas foram similares aos encontrados nas espumas e termicamente mais estáveis quando produzidas com fluoropolímeros. Ainda neste trabalho foram analisadas a influência da altura e largura das cavidades no coeficiente piezoelétrico, o comportamento de estruturas formadas com diferentes polímeros, e também a versatilidade de estruturas com múltiplas camadas. / At the end of 90´s, it was observed that electrically charged foams made from polymers films could exhibit very high piezoelectric coefficients, due to macro-dipoles formed by trapped charges in the inner surfaces of the internal voids of the film. This films with small cavities after has been electrically charged received the names of piezoelectrets or ferroelectrects. They were initially prepared from polypropylene grains extruded into films in a physical blow process. However, the low thermal stability of the piezoelectric coefficient presentec by this voided films, motivated researches to explore different materials which were thermically more stables. Recently a new approach, were two Teflon FEP films were molded and fused to produce cavities with bubbles shapes was presented. These thermo-fused structures reveal also to present very high piezoelectric coefficients, after received properly charging. One of the major advantages of this molded structures piezoelectrets is the possibility to create piezoelectrets with well defined voids, which is supposed to provide a more homogeneous charging and a broadband frequency control. Nevertheless, the methods to produce homogenic structures developed so far are still facing problems to control the cavities and to create multi-layer structures. In this work a new process to produce piezoelectrets is presented. The method based on the lamination of two polymer films with a pre-fabricated template provides full control of the air cavities. After the template is removed, a well defined open channel structures is formed. Later when electrodes are deposited on both sides of the fused films the structure is electrically chargec and a piezoelectret with piezoelectric coefficients similar to the foams is formed. With this new controlled process to prepare piezoeletrets several parameters of the cavities were investigated, including the comparison of ferroelectretcs made from different materials and multi-layers samples.