Les progrès technologiques considérables menés depuis ces dernières décennies
nous permettent aujourd’hui de disséminer dans notre environnement une nuée de
noeuds de capteurs communicants combinant la taille micrométrique et la consommation
dérisoire caractéristiques des MEMS avec la puissance des protocoles de
communications Internet. L’Internet des Objets, formé par ce réseau de capteurs,
possède le potentiel d‘optimiser un grand panel d’applications industrielles et domotiques.
Le nouveau défi, que la communauté du Energy Harvesting tente de relever
depuis une décennie maintenant, est de rendre ces noeuds de capteurs autonomes
en les alimentant grâce à l’énergie perdue dans leur environnement.
Dans ces travaux de recherche, nous explorons le potentiel d’un principe thermo-fluidique
auto-oscillant pour la génération d’énergie utile à partir d’une source thermique
de faible qualité. L’implémentation de cette technologie en tant que machine
thermique est étudiée et mène à la caractérisation d’un nouveau cycle thermodynamique
caractéristique du SOFHE (Self Oscillating Fluidic Heat Engine).
Nous montrons, par une approche phénoménologique, que notre machine thermique
se comporte comme un oscillateur mécanique, excité par les évaporations
et condensations successives du fluide de travail. Ces changements de phase alternatifs
mettent en mouvement une colonne d’eau, jouant le rôle de masse, couplée
à une zone de vapeur, jouant le rôle d’un ressort.
Une étude de l’influence du couplage du SOFHE avec un transducteur électromécanique,
représenté par un oscillateur, mène à la conception et la fabrication d’une spirale
piézoélectrique. L’intégration de cette spirale à notre machine thermique forme
un générateur thermo-électrique dont les capacités de conversion sont démontrées
par la charge d’une capacité.
Finalement, la miniaturisation du principe thermo-fluidique SOFHE est rendue possible
par la réalisation d’un procédé de fabrication utilisant les techniques MEMS.
Des dispositifs miniatures parviennent à exhiber un comportement oscillatoire montrant
le potentiel d’intégration de cette technologie. / Abstract : The tremendous technological progresses realized in the last decades allow us to
swarm our environment with Wireless Sensors Networks. These WSNs combine the
MEMS’ miniature size and low energy consumption, and the powerful Internet communication
protocols. This Internet of Things shows great potential in many applications
such as industry or housing. For a decade now, the Energy Harvesting community
wants to build autonomous WSNs by enabling them to feed off energy wastes.
In this work, we study the electricity generation capabilities of a Self-Oscillating Fluidic
Heat Engine (SOFHE) and present its characteristic thermodynamic cycle. Our
model shows that the SOFHE acts as a mechanical resonator excited by the successive
evaporation and condensation processes underwent by the working fluid.
These phase changes put a liquid mass in motion, coupled with a vapor spring. The
coupling of our heat engine with an electromechanical transducer is studied and
leads to a piezoelectric spiral conception and fabrication. Their association forms a
thermo-electrical generator able to power and charge an electrical capacitor. Eventually,
we demonstrate the miniaturization prospects and integration potential of this
SOFHE technology. A micro-fabrication process enables a SOFHE MEMS implementation.
Our process includes a deep glass wet etching step as well as a Au-Si
eutectic wafer bonding.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usherbrooke.ca/oai:savoirs.usherbrooke.ca:11143/11868 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Monin, Thomas |
| Contributors | Fréchette, Luc, Formosa, Fabien |
| Publisher | Université de Sherbrooke |
| Source Sets | Université de Sherbrooke |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Thèse |
| Rights | © Thomas Monin, Attribution - Partage dans les Mêmes Conditions 2.5 Canada, http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/ca/ |
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