Piezoelectric Fibers for Sensing and Energy Generation

Au cours de la dernière décennie, la recherche et le développement de générateurs fibrés a reçu une attention significative en raison de la popularité grandissante des appareils électroniques que l'on peut porter, tels que les écrans sur vêtements, les dispositifs de réalité virtuelle, les senseurs médicaux/cliniques portables et les montres intelligentes. Parmi les générateurs fibrés, les fibres piézoélectriques qui opèrent en se basant sur l'effet piézoélectrique sont spécialement attrayantes, parce qu'elles peuvent convertir les vibrations mécaniques de la vie quotidienne (causées par exemple par la marche, les courants d'air ou les battements cardiaques) en signaux électriques. Pour augmenter le potentiel des technologies portables, des textiles piézoélectriques pour alimenter les dispositifs électroniques ont été fabriqués en intégrant les fibres piézoélectriques dans des fibres commerciales utilisant les techniques de fabrication conventionnelles. Les fibres piézoélectriques peuvent aussi avoir des applications techniques dans les domaines de l'information et des communications, dans l'automatisation industrielle, dans le diagnostic médical, dans le control du trafic et dans le secteur de la défense. Par exemple, ces fibres pourraient être implantées dans les avions et les véhicules pour surveiller l'intégrité de la structure mécanique, ainsi qu'alimenter les systèmes électroniques embarqués tels que les réseaux de senseurs sans-fil (WSN) à faible puissance. D'autres applications incluent les détecteurs acoustiques de haute-sensibilité pour la détection des ondes sonores, les actuateurs de micro-positionnement pour les microscopes à force atomique (AFM), les microscopes à effet tunnel (STM), les miroirs laser d'alignement et les dispositifs médicaux implantables (IMD). Encouragés par le marché sans cesse grandissant des appareils électroniques portatifs, des efforts substantiels ont été investis dans la fabrication de fibres piézoélectriques. Aujourd'hui, la plupart des fibres piézoélectriques existantes sont fabriquées soit en faisant croître des nanostructures piézoélectriques dans un filament conducteur ou en extrudant des polymères piézoélectriques avec des polymères conducteurs par trempe sur roue (melt-spinning). La performance et les applications de ces fibres piézoélectriques sont limitées par leur géométries simpliste, leur grandes taille, leur faible fiabilité mécanique, leur coût élevé et leur faible réponse piézoélectrique. Cette thèse a pour objectif de démontrer des fibres piézoélectriques micro et nanostructurées pouvant répondre à ces limitations.

Abstract

In the past decade, the R&D (research and development) of fiber generators has received significant attention due to the growing popularity of wearable mobile electronic systems such as on-garment displays, virtual-reality devices, wearable medical/clinic sensors and smart watches. Among all of these fiber generators, piezoelectric fibers that operate based on piezoelectric effect are especially attractive, because they could convert mechanical vibrations accessible in our daily life (i.e. walking, air flow and heart beating) into electrical signals. To make further improvements to the wearable applications, piezoelectric textiles that power on-body electronics have been fabricated by integrating piezoelectric fibers into commercial fabrics using traditional textile fabrication techniques. Piezoelectric fibers can also find technical applications in the fields of information and communication, industrial automation, medical diagnostics, automation and traffic control, and in the defense industries. For instance, piezoelectric fibers could be implanted on the airplanes and vehicles, for the purpose of structural integrity monitoring, as well as powering the on-board electronic systems such as wireless sensor networks (WSNs) with low-power consumption. Other common examples include ultrasensitive sound detectors for stand-off sound detection, micro-positioning actuators for atomic force microscopes (AFM), scanning tunneling microscopes (STM), and laser mirror alignment; as well as power sources for implanted medical devices (IMDs). Driven by the ever-growing market, extensive effort has been put into the fabrication of piezoelectric fibers. Currently, most of the existing piezoelectric fibers are fabricated either by growing piezoelectric nanostructures along a conductive filament or by extruding piezoelectric polymers together with a conductive polymer by melt-spinning. The performance and applications of these piezoelectric fibers are limited by their simple fiber geometries, large fiber size, poor mechanical reliability, high-cost, and low piezoelectric response. This thesis aims to demonstrate micro- and nanostructured piezoelectric fibers that address these limitations. In our approach, kilometer-long piezoelectric fibers of sub-millimeter diameters are thermally drawn from a macroscopic preform. The piezoelectric fibers feature a soft hollow polycarbonate core surrounded with a spiral multilayer cladding consisting of alternating layers of piezoelectric electrospun nanocomposites (polyvinylidene enhanced with BTO, PZT or CNT)and conductive polymer (carbon filled polyethylene).