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National audience; With permanently high temperature gradients, a steelworks is the ideal place to install thermogenerators. The electricity recovered is stored in supercapacitors and then conditioned to power a wireless communicating sensor (a very energy-intensive lambda probe and its auxiliaries). The particularity of the project is linked to the unfavourable industrial environment (high ambient temperature > 60°C, dust deposits, slag falls, etc.), which complicates implementation and requires innovative solutions to be found.; Avec des gradients de températures élevés et permanents, une aciérie est le lieu idéal pour installer des thermogénérateurs. L'électricité récupérée est stockée dans des supercapacités puis conditionnée pour alimenter un capteur sans fil communicant (une sonde lambda très énergivore et ses auxiliaires). La particularité du projet est liée à l'environnement industriel défavorable (température ambiante élevée > 60°C, dépôt de poussières, chutes de scories, …) qui complique la mise en oeuvre et oblige à trouver des solutions adaptées innovantes.

The tremendous growth of applications related to recent advances in the Internet of Things (IoT) requires the development of new solutions for harvesting/scavenging the environmental energy to power microsystems. The abundance of heat in our environment allows thermal energy harvesting devices to be one of the solutions. In this work, we have developed a family of planar micro-thermoelectric generators (µTEG), integrating a novel 2.5D thermopile topology periodically folded and distributed on multi-membrane, capable of converting heat directly into useful electrical energy. This thermopile, with high integration density, uses thermocouples based on metallic thermoelectric materials (Chromel and Constantan), electrically associated either in series or in parallel, allowing to reduce drastically the internal electrical resistance of these µTEGs to a few tens of Ohms. A 3D thermal modelling in COMSOL Multiphysics® was used to design the optimal dimensions of the modules so they would deliver the maximum output power. The fabrication of these devices is made by low-cost CMOS-compatible processes, using non-polluting, abundant and environmentally friendly materials. Deep reactive ionic etching (DRIE) of Silicon wafers is used to release membranes with adjustable lengths allowing to adapt the thermal resistance of these µTEGs to their environment. The devices realized in IEMN clean room, have been characterized using specific measurement benches developed for this purpose. The harvesting of one Watt of heat leads to thermo-generated electrical powers of a few hundred microwatts. This ranks these new 2.5D µTEGs among the best state-of-the-art µ-modules using metallic thermoelectrics.; L’essor considérable des applications liées aux récents progrès de l’internet des objets (IoT) nécessite de développer de nouvelles solutions de collecte de l’énergie environnante pour alimenter les microsystèmes. L’abondance de la chaleur dans notre environnement permet aux dispositifs de récupération de l’énergie thermique d’être une des solutions. Dans ce travail, nous avons développé une famille de micro-générateurs thermoélectriques planaires (µTEG), intégrant une topologie originale de thermopile en 2.5D périodiquement repliée et distribuée sur multi-membrane, capable de convertir de manière directe la chaleur en énergie électrique utile. Cette thermopile, à grande densité d’intégration, emploie des thermocouples à base de matériaux thermoélectriques métalliques (Chromel et Constantan), associés électriquement soit en série, soit en parallèle, permettant de réduire drastiquement la résistance électrique interne de ces µTEGs, à quelques dizaines de Ohms. Pour obtenir de ces modules une puissance de sortie maximale, des modélisations numériques 3D sous COMSOL Multiphysics®, au niveau thermique, ont permis d’optimiser leur dimensionnement. La fabrication de ces dispositifs a été réalisée par des procédés compatibles CMOS, à faible coût, utilisant des matériaux non polluants, abondants, et respectueux de l’environnement. Elle a employé la technique de gravure profonde DRIE de wafers de Silicium pour libérer des membranes de longueurs ajustables permettant d’adapter la résistance thermique des µTEGs à leur environnement. Les dispositifs réalisés en centrale de technologie ont été caractérisés à l’aide de bancs de mesure spécifiques développés à cette fin. La récupération d’un Watt de chaleur permet d’atteindre des puissances électriques thermogénérées de quelques centaines de microwatts. Cela classe ces nouveaux µTEG 2.5D parmi les meilleurs µ-modules de l’état de l’art utilisant des thermoélectriques métalliques.

The potentiality of PLA films produced by extrusion and uniaxial stretching by MDO of industrial grades has been investigated for the energy harvesting by piezoelectric transformation. A piezoelectric coefficient characterization technique suitable for polymer films was tested and validated on a commercial PVDF piezoelectric film. It was then used to evaluate the d14 coefficient of PLA films. A study on the effect of structural parameters of the PLAs on their piezoelectric behaviour was carried out. An energy recovery test bench based on the application of dynamic tensile strains was used to assess the capability of PLAs to convert mechanical vibrations into electrical energy. A comparison with commercial PVDF was carried out. An equivalent electro-mechanical model was developed and made it possible to describe the evolution of power as a function of mechanical stress conditions for different grades of PLA as well as for PVDF. This model, was used to predict the effect of the variation of the various intrinsic parameters (mechanical and piezoelectric qualities of polymers) and extrinsic (characteristics of the vibratory source and electrical impedance matching). Finally, for future applications, we evaluated the potentiality of PLA (in film or textile form) for applications as a dynamic deformation, dynamic force and shock sensor and also for ultrasonic emission and reception., La potentialité des films PLA produits par extrusion et étirés uniaxialement par MDO à partir des grades industriels a été investiguée pour la récupération d’énergie vibratoire par effet piézoélectrique. Une technique de caractérisation du coefficient piézoélectrique plus adaptée aux films polymères a été testée et validée sur un film piézoélectrique commercial de PVDF, puis utilisée pour évaluer le coefficient piézoélectrique d14 des films PLA. Une étude physico-chimique a été menée afin de comprendre les relations entre les observables piézoélectriques des films PLA et les modifications structurales (orientation moléculaire, cristallinité et nature des phases cristallines) apportées par les conditions d’élaboration des films. Un banc de test de récupération d’énergie reposant sur l’application des déformations de traction dynamiques a été utilisé pour évaluer la capacité des PLAs à convertir des vibrations mécaniques en énergie électrique. Une comparaison avec du PVDF commercial a été réalisée. Un modèle électro-mécanique équivalent a été développé et a permis de décrire l’évolution de la puissance électrique récupérée en fonction des conditions de sollicitations mécaniques pour différents grades de PLA ainsi que pour le PVDF. Ce modèle étant validé, a été utilisé pour prédire l’effet de la variation des différents paramètres intrinsèques (qualités mécaniques et piézoélectriques des polymères) et extrinsèques (conditions de sollicitations mécaniques et adaptation d’impédance électrique). Enfin, pour de futures applications, nous avons évalué la potentialité du PLA (sous forme de film ou de textile) pour des applications comme capteur de déformation, de force dynamique et de chocs mais aussi pour l’émission et la réception ultrasonore.

Currently, we can observe the increasing proliferation of RF and microwave transmitters in the urban environment (TNT, GSM, UMTS, LTE et hot spots WiFi). This makes the electromagnetic energy harvesting particularly attractive and opportunistic to increase the energy autonomy of wireless electronics devices with very low consumption.Particularly, we propose here to exploit the growing proportion of glass surface in the urban environment to design rectennas (for rectifying antenna) with low visual impact. Indeed, these rectennas have attractive characteristics since they are practically invisible and easily integrated into the environment. Glass and Plexiglas are two supports available in sufficient quantity to integrate rectennas which are dedicated to the electromagnetic energy harvesting.We will initially propose several rectenna prototypes on a plexiglass substrate. Developed here from a coppered strip, the printed structures are developed in CPS technology to reduce the visual impact and simplify the fabrication steps. Several prototypes of rectennas and rectenna arrays will be proposed on different standards and frequency bands.The optically transparent rectennas on a glass substrate will use a technique developed at the IETR laboratory. The CPW technology will allow only one level of metallization and will improve the realization process. The dual-band structure (1.85 and 2.45 GHz) will be measured and characterized at ESYCOM laboratory in radiated mode and by using a dedicated measurement setup.The simulated and measured results in terms of converted output voltage and conversion efficiency will show the real contribution of these structures reported on transparent substrates, allowing the emergence of many potentially interesting applications.Keywords: RF energy harvesting, rectenna, rectenna array, optical and visual transparencies, CPS and CPW technolologies, glass and plexiglass substrates.Keywords : RF energy harvesting, rectenna, rectenna array, optical and visual transparency, CPS and CPW technolologies, glass and Plexiglas substrates; On assiste depuis quelques années à la prolifération dans le paysage urbain des émetteurs de champ électromagnétique (émissions TNT, téléphonie mobile aux standards GSM, UMTS, LTE et hot spots WiFi…). Cela rend particulièrement attractif etopportuniste la récupération d'énergie électromagnétique pour accroître l’autonomie énergétique des systèmes électroniques à très faible consommation.Plus particulièrement, on a souhaité ici exploiter la proportion grandissante des surfaces vitrées dans l’environnement urbain pour concevoir des rectennas (pour rectifying antennas) sur des matériaux transparents. Ces rectennas ont des caractéristiquesintéressantes puisque pratiquement invisibles, discrètes et facilement intégrables dans l'environnement. Le verre et le plexiglas constituent deux supports disponibles et présents en quantité pour y intégrer des rectennas dédiées à la récupération et la conversion d’énergie électromagnétique. Nous proposerons plusieurs prototypes de rectenna dans un premier temps sur substrat plexiglas. Réalisées ici à partir d’une empreinte métallique, les structures utilisent des antennes planaires développées en technologie CPS pour réduire l’impact visuelet simplifier le processus de réalisation. Différents prototypes et mise en réseaux de prototypes seront réalisés aux actuels standards de communication.Les rectennas optiquement transparentes sur substrat verre utiliseront une technique développée au laboratoire IETR. L’alimentation par ligne CPW permettra de n’utiliser qu’un seul niveau de métallisation et facilitera le report des composants. La structure bi-bande développée (1.85 et 2.45 GHz) sera mesurée au laboratoire ESYCOM sur un banc de mesure dédié permettant une caractérisation en rayonné à l'intérieur de la chambre anéchoîque. Les résultats et performances obtenus (simulation et mesures) en termes de tension de sortie convertie et rendement de conversion montreront le réel apport de ces structures gravées sur des supports transparents ce qui pourra dégager de réelles perspectives d’applications

The use of piezoelectric materials (which can transform mechanical energy into electrical one and vice versa) in order to control or to harvest energy from main structures was wi- dely investigated over the years. It was first assumed that those materials only present a linear behavior before spotting their nonlinear responses. Linear classical circuits coupled to piezoelectric systems were optimized to mitigate vibrations or harvest energy, but in the last decades, using nonlinear circuits have proven to be more efficient. The aim of this work is to write down a model allowing the design of a nonlinear electromechanical system in order to mitigate the vibrations or harvest energy. First, the governing nonlinear equations of a system composed of a cantilever beam with piezoelectric materials patched on it are derived. Those equations take into account geo- metrical and material nonlinearities of the beam and of the piezoelectric materials, respec- tively. A modal analysis is carried out to identify the natural frequencies and mode shapes of the composite structure. Numerical results demonstrate that special positions of piezoe- lectric materials on the beam can lead to the creation of internal resonances. A multiple scale analysis is carried out on a reduced order model to study modal energy exchanges due to an internal resonance. Then, experimental results are presented. Those allow to validate theoretically predicted behaviors of the system such as internal resonances crea- tion, mode shapes modification, nonlinear behavior of the structure and energy exchange during a 1 : 3 internal resonance. Finally, a beam with a single piezoelectric material pat- ched on it, linked to a nonlinear circuit presenting a cubic term, is studied. This nonlinear electromechanical structure is studied for a case when the structure does not present any internal resonances and another case where the structure exhibit a 1 :3 internal resonance. Analytical methods are applied on the reduced order model to study the system responses at different time scales and to identify periodic, quasi-periodic and even chaotic regimes. Effects of the different electrical components are examined to highlight that they can be designed to obtain special behaviors of the system. It is shown that the nonlinear circuit changes the nature of energy exchanges of resonant modes and can even balance their energies, which can have application in control or energy harvesting. A comparison with a linear circuit is carried out to show the performance of the possible nonlinear piezoelectric absorber., Les travaux sur les matériaux piézoélectriques (qui peuvent transformer l’énergie électrique en énergie mécanique et inversement) utilisés afin de contrôler ou récupérer l’énergie de structures principales, sont nombreux. Dans un premier temps, on a supposé qu’ils ne possédaient qu’un comportement linéaire, avant que la prise en compte de leurs non linéarités émerge. Des circuits classiques linéaires ont été optimisés pour le contrôle vibratoire et la récupération d’énergie, mais dans les dernières décennies, des circuits non linéaires ont démontré leur efficacité supérieure. Ce travail a pour objectif l’écriture d’un modèle qui permette la conception d’un système électro-mécanique non linéaire pour l’atténuation des vibrations ou la récupération d’énergie. Premièrement, je me suis attachée à obtenir les équations dynamiques non linéaires du système composé d’une poutre cantilever avec des matériaux piézoélectriques collés dessus. Dans ces équations on prend en compte les non linéarités géométriques de la poutre, mais aussi les non linéarités matérielles des patchs piézoélectriques. Une analyse modale est effectuée pour identifier les pulsations propres et les déformées modales de la structure. Des résultats analytico-numériques mettent en évidence la possibilité de créer des résonances internes entre les modes propres de la structure via le positionnement des matériaux sur celle-ci. Une analyse par la méthode des échelles multiples sur des modèles réduits permet de montrer les échanges d’énergie possibles entre les modes concernés par ces résonances internes. Puis, des résultats expérimentaux sont présentés. Ces derniers viennent valider les développements analytiques tels que la création de résonances internes, la modification des déflections modales, le comportement non linéaire de la structure et les échanges d’énergie lorsqu’il existe une résonance 1 : 3 entre deux modes propres. Finalement, une étude analytique est menée sur une poutre avec un patch piézoélectrique qui est relié à un circuit électrique non linéaire comportant un terme cubique. Deux systèmes sont étudiés : l’un où la structure ne présente pas de résonances internes, et l’autre lorsqu’il existe une résonance 1 : 3. Des méthodes analytiques effectuées sur les modèles réduits, permettent d’analyser les réponses du système à différentes échelles de temps, et d’identifier les régimes périodiques, quasi-périodiques et chaotiques. On examine alors les effets des différents composants électriques sur la réponse de la structure et on montre comment ils peuvent être choisis pour obtenir les comportements souhaités pour le système. Il est démontré que le circuit non linéaire change la nature des échanges d’énergie des modes résonants. Il peut même équilibrer leurs énergies, d’où des applications pour le contrôle ou la récupération d’énergie. Une comparaison avec un absorbeur linéaire est présentée pour confirmer les performances d’un potentiel absorbeur non linéaire.

Vibration energy harvesting focuses on using vibrations to power wireless sensors nodes in locations where batteries cannot be used or changed. In this context, the use of piezoelectric resonant structures enables to harvest significant electrical power. However, this performance is reached only over a very limited frequency band (typically a few percent of the resonance frequency of the harvester). In response to this problem, electrical techniques capable of tuning the resonance frequency of piezoelectric harvesters have been developed in recent years. In order to achieve an interesting operating frequency range through these techniques, piezoelectric harvesters must have a very strong global electromechanical coupling. This thesis therefore focuses on the modeling, design and characterization of very strongly coupled piezoelectric energy harvesters for broadband vibration energy harvesting. In this thesis, it is shown that the cantilever beam with a long proof mass at its free end is the most relevant configuration to optimize the global electromechanical coupling coefficient. The proposal and then the exploitation of a dedicated analytical model, allowed us to demonstrate the interest of the long mass. In particular, this model allows us to study the electromechanical aspects thanks to nondimensionalized parameters and to draw general conclusions on the design of very strongly coupled cantilevers. On another aspect, the work carried out shows that, for piezoelectric materials commonly used in energy harvesting, the global electromechanical coupling coefficient of a cantilevers is maximized when lateral deformations are minimized. This effect can be obtained by maximizing the width of the beam (plane strain state) or by attaching lateral bars to the beam. In order to validate experimentally the interest of a long proof mass, a harvester based on a very strongly coupled single crystal (PMN-PT) is proposed. Two harvesters based on ceramic material (PZT) are also proposed in order to show the influence of the beam with on the global electromechanical coupling coefficient. The harvesters tested with resistive loads under vibratory conditions suggest great potential for frequency tuning (more than 10% of their resonance frequencies). Within the framework of this research work, one of the prototypes was tested with a dedicated electrical management circuit allowing an automatic adjustment over a wide frequency band (more than 17% of the resonance frequency). Finally, a non-linear phenomenological model is presented at the end of this thesis. It allows to consider and understand the influence of mechanical and dielectric losses on the behaviour and performances (recovered power and bandwidth) of the harvesters.; La récupération d’énergie vibratoire s’intéresse à utiliser les vibrations afin d’alimenter des capteurs sans fil communicants à des emplacements où les piles et les batteries ne peuvent être employées ou changées. Dans ce contexte, l’utilisation de structures résonantes piézoélectriques permet de récupérer des puissances électriques importantes. Cependant, ces performances ne sont atteintes que sur une bande fréquentielle très limitée (typiquement quelques pourcents de la fréquence de résonance du récupérateur). En réponse à cette problématique, des techniques électriques capables d’ajuster la fréquence de résonance de récupérateurs piézoélectriques sont développées depuis quelques années. Pour atteindre une bande de fréquence de fonctionnement intéressante grâce à ces techniques, les récupérateurs piézoélectriques doivent présenter un très fort couplage électromécanique global. Cette thèse porte donc sur la modélisation, la conception et la caractérisation de récupérateurs d’énergie piézoélectriques très fortement couplés pour la récupération d’énergie vibratoire large bande. Dans cette thèse, il est montré que la poutre encastrée-libre (cantilever) comportant une longue masse mobile à son extrémité libre est la configuration la plus pertinente pour optimiser le coefficient de couplage électromécanique global. La proposition puis l’exploitation d’un modèle analytique dédié, nous a permis de démontrer l’intérêt de la longue masse. Ce modèle permet notamment d’étudier les aspects électromécaniques de manière adimensionnelle et de dresser des conclusions générales sur le dimensionnement de poutres très fortement couplées. Sur un autre aspect, les travaux réalisés montrent que, pour les matériaux piézoélectriques couramment utilisés en récupération d’énergie, le coefficient de couplage électromécanique global d’une poutre est maximisé lorsque les déformations latérales sont minimisées. Cet effet peut être obtenu par la maximisation de la largeur de la poutre (état de déformation plane) ou alors par la fixation de barreaux latéraux sur cette dernière. Afin de valider expérimentalement l’intérêt d’une longue masse mobile, un récupérateur à base de matériau monocristallin très fortement couplé (PMN-PT) est proposé. Deux récupérateurs à base de matériau céramique (PZT) sont également proposés afin de montrer l’influence de la largeur de la poutre sur le coefficient de couplage électromécanique global. Les récupérateurs testés avec des charges résistives en conditions vibratoires laissent présager de grands potentiels en matière d’ajustement de fréquences (plus de 10% de leurs fréquences de résonance). Dans le cadre de ces travaux de recherche, un des prototypes a notamment été testé avec un circuit de gestion électrique dédié permettant un ajustement automatique sur une large bande de fréquences (plus de 17% de la fréquence de résonance). Pour finir, un modèle phénoménologique non-linéaire est présenté à la fin de cette thèse. Il permet de considérer et de comprendre l’influence des pertes mécaniques et diélectriques sur le comportement et les performances (puissance récupérée et bande passante) des récupérateurs.

Vibration energy harvesting focuses on using vibrations to power wireless sensors nodes in locations where batteries cannot be used or changed. In this context, the use of piezoelectric resonant structures enables to harvest significant electrical power. However, this performance is reached only over a very limited frequency band (typically a few percent of the resonance frequency of the harvester). In response to this problem, electrical techniques capable of tuning the resonance frequency of piezoelectric harvesters have been developed in recent years. In order to achieve an interesting operating frequency range through these techniques, piezoelectric harvesters must have a very strong global electromechanical coupling. This thesis therefore focuses on the modeling, design and characterization of very strongly coupled piezoelectric energy harvesters for broadband vibration energy harvesting. In this thesis, it is shown that the cantilever beam with a long proof mass at its free end is the most relevant configuration to optimize the global electromechanical coupling coefficient. The proposal and then the exploitation of a dedicated analytical model, allowed us to demonstrate the interest of the long mass. In particular, this model allows us to study the electromechanical aspects thanks to nondimensionalized parameters and to draw general conclusions on the design of very strongly coupled cantilevers. On another aspect, the work carried out shows that, for piezoelectric materials commonly used in energy harvesting, the global electromechanical coupling coefficient of a cantilevers is maximized when lateral deformations are minimized. This effect can be obtained by maximizing the width of the beam (plane strain state) or by attaching lateral bars to the beam. In order to validate experimentally the interest of a long proof mass, a harvester based on a very strongly coupled single crystal (PMN-PT) is proposed. Two harvesters based on ceramic material (PZT) are also proposed in order to show the influence of the beam with on the global electromechanical coupling coefficient. The harvesters tested with resistive loads under vibratory conditions suggest great potential for frequency tuning (more than 10% of their resonance frequencies). Within the framework of this research work, one of the prototypes was tested with a dedicated electrical management circuit allowing an automatic adjustment over a wide frequency band (more than 17% of the resonance frequency). Finally, a non-linear phenomenological model is presented at the end of this thesis. It allows to consider and understand the influence of mechanical and dielectric losses on the behaviour and performances (recovered power and bandwidth) of the harvesters; La récupération d’énergie vibratoire s’intéresse à utiliser les vibrations afin d’alimenter des capteurs sans fil communicants à des emplacements où les piles et les batteries ne peuvent être employées ou changées. Dans ce contexte, l’utilisation de structures résonantes piézoélectriques permet de récupérer des puissances électriques importantes. Cependant, ces performances ne sont atteintes que sur une bande fréquentielle très limitée (typiquement quelques pourcents de la fréquence de résonance du récupérateur). En réponse à cette problématique, des techniques électriques capables d’ajuster la fréquence de résonance de récupérateurs piézoélectriques sont développées depuis quelques années. Pour atteindre une bande de fréquence de fonctionnement intéressante grâce à ces techniques, les récupérateurs piézoélectriques doivent présenter un très fort couplage électromécanique global. Cette thèse porte donc sur la modélisation, la conception et la caractérisation de récupérateurs d’énergie piézoélectriques très fortement couplés pour la récupération d’énergie vibratoire large bande. Dans cette thèse, il est montré que la poutre encastrée-libre (cantilever) comportant une longue masse mobile à son extrémité libre est la configuration la plus pertinente pour optimiser le coefficient de couplage électromécanique global. La proposition puis l’exploitation d’un modèle analytique dédié, nous a permis de démontrer l’intérêt de la longue masse. Ce modèle permet notamment d’étudier les aspects électromécaniques de manière adimensionnelle et de dresser des conclusions générales sur le dimensionnement de poutres très fortement couplées. Sur un autre aspect, les travaux réalisés montrent que, pour les matériaux piézoélectriques couramment utilisés en récupération d’énergie, le coefficient de couplage électromécanique global d’une poutre est maximisé lorsque les déformations latérales sont minimisées. Cet effet peut être obtenu par la maximisation de la largeur de la poutre (état de déformation plane) ou alors par la fixation de barreaux latéraux sur cette dernière. Afin de valider expérimentalement l’intérêt d’une longue masse mobile, un récupérateur à base de matériau monocristallin très fortement couplé (PMN-PT) est proposé. Deux récupérateurs à base de matériau céramique (PZT) sont également proposés afin de montrer l’influence de la largeur de la poutre sur le coefficient de couplage électromécanique global. Les récupérateurs testés avec des charges résistives en conditions vibratoires laissent présager de grands potentiels en matière d’ajustement de fréquences (plus de 10% de leurs fréquences de résonance). Dans le cadre de ces travaux de recherche, un des prototypes a notamment été testé avec un circuit de gestion électrique dédié permettant un ajustement automatique sur une large bande de fréquences (plus de 17% de la fréquence de résonance). Pour finir, un modèle phénoménologique non-linéaire est présenté à la fin de cette thèse. Il permet de considérer et de comprendre l’influence des pertes mécaniques et diélectriques sur le comportement et les performances (puissance récupérée et bande passante) des récupérateurs

Vibration energy harvesting focuses on using vibrations to power wireless sensors nodes in locations where batteries cannot be used or changed. In this context, the use of piezoelectric resonant structures enables to harvest significant electrical power. However, this performance is reached only over a very limited frequency band (typically a few percent of the resonance frequency of the harvester). In response to this problem, electrical techniques capable of tuning the resonance frequency of piezoelectric harvesters have been developed in recent years. In order to achieve an interesting operating frequency range through these techniques, piezoelectric harvesters must have a very strong global electromechanical coupling. This thesis therefore focuses on the modeling, design and characterization of very strongly coupled piezoelectric energy harvesters for broadband vibration energy harvesting. In this thesis, it is shown that the cantilever beam with a long proof mass at its free end is the most relevant configuration to optimize the global electromechanical coupling coefficient. The proposal and then the exploitation of a dedicated analytical model, allowed us to demonstrate the interest of the long mass. In particular, this model allows us to study the electromechanical aspects thanks to nondimensionalized parameters and to draw general conclusions on the design of very strongly coupled cantilevers. On another aspect, the work carried out shows that, for piezoelectric materials commonly used in energy harvesting, the global electromechanical coupling coefficient of a cantilevers is maximized when lateral deformations are minimized. This effect can be obtained by maximizing the width of the beam (plane strain state) or by attaching lateral bars to the beam. In order to validate experimentally the interest of a long proof mass, a harvester based on a very strongly coupled single crystal (PMN-PT) is proposed. Two harvesters based on ceramic material (PZT) are also proposed in order to show the influence of the beam with on the global electromechanical coupling coefficient. The harvesters tested with resistive loads under vibratory conditions suggest great potential for frequency tuning (more than 10% of their resonance frequencies). Within the framework of this research work, one of the prototypes was tested with a dedicated electrical management circuit allowing an automatic adjustment over a wide frequency band (more than 17% of the resonance frequency). Finally, a non-linear phenomenological model is presented at the end of this thesis. It allows to consider and understand the influence of mechanical and dielectric losses on the behaviour and performances (recovered power and bandwidth) of the harvesters.; La récupération d’énergie vibratoire s’intéresse à utiliser les vibrations afin d’alimenter des capteurs sans fil communicants à des emplacements où les piles et les batteries ne peuvent être employées ou changées. Dans ce contexte, l’utilisation de structures résonantes piézoélectriques permet de récupérer des puissances électriques importantes. Cependant, ces performances ne sont atteintes que sur une bande fréquentielle très limitée (typiquement quelques pourcents de la fréquence de résonance du récupérateur). En réponse à cette problématique, des techniques électriques capables d’ajuster la fréquence de résonance de récupérateurs piézoélectriques sont développées depuis quelques années. Pour atteindre une bande de fréquence de fonctionnement intéressante grâce à ces techniques, les récupérateurs piézoélectriques doivent présenter un très fort couplage électromécanique global. Cette thèse porte donc sur la modélisation, la conception et la caractérisation de récupérateurs d’énergie piézoélectriques très fortement couplés pour la récupération d’énergie vibratoire large bande. Dans cette thèse, il est montré que la poutre encastrée-libre (cantilever) comportant une longue masse mobile à son extrémité libre est la configuration la plus pertinente pour optimiser le coefficient de couplage électromécanique global. La proposition puis l’exploitation d’un modèle analytique dédié, nous a permis de démontrer l’intérêt de la longue masse. Ce modèle permet notamment d’étudier les aspects électromécaniques de manière adimensionnelle et de dresser des conclusions générales sur le dimensionnement de poutres très fortement couplées. Sur un autre aspect, les travaux réalisés montrent que, pour les matériaux piézoélectriques couramment utilisés en récupération d’énergie, le coefficient de couplage électromécanique global d’une poutre est maximisé lorsque les déformations latérales sont minimisées. Cet effet peut être obtenu par la maximisation de la largeur de la poutre (état de déformation plane) ou alors par la fixation de barreaux latéraux sur cette dernière. Afin de valider expérimentalement l’intérêt d’une longue masse mobile, un récupérateur à base de matériau monocristallin très fortement couplé (PMN-PT) est proposé. Deux récupérateurs à base de matériau céramique (PZT) sont également proposés afin de montrer l’influence de la largeur de la poutre sur le coefficient de couplage électromécanique global. Les récupérateurs testés avec des charges résistives en conditions vibratoires laissent présager de grands potentiels en matière d’ajustement de fréquences (plus de 10% de leurs fréquences de résonance). Dans le cadre de ces travaux de recherche, un des prototypes a notamment été testé avec un circuit de gestion électrique dédié permettant un ajustement automatique sur une large bande de fréquences (plus de 17% de la fréquence de résonance). Pour finir, un modèle phénoménologique non-linéaire est présenté à la fin de cette thèse. Il permet de considérer et de comprendre l’influence des pertes mécaniques et diélectriques sur le comportement et les performances (puissance récupérée et bande passante) des récupérateurs.

Wireless communications in an indoor environment (inside buildings) are often altered by the effects of the propagation environment, by attenuation by various obstacles and interference (destructive) due to multiple reflections (multi-path). These effects result in a systematic reduction in the power budget, synonymous with a reduction in the power received at the receiving terminal. The objective of this work is to boost the power received by redirecting electromagnetic waves directly to the receiver (rectenna, Wi-Fi receiver). The idea is to design a reflective surface (reflectarray) capable of redirecting ambient electromagnetic waves regardless of the incidence and polarization. This new type of reflector differs from conventional reflectors, due to the absence of a fixed focal point assumed to be close to the array, and its illumination is plane wave. This thesis consist in proposing a rigorous methodology for the design of this type of reflector with the functionalities of multi-incidence and multi-polarization. This work is carried out as a part the SURFAS project, an INTERREG French (Channel) England cross-border cooperation project. The project is co-financed by the ERDF. ESIGELEC is the leader., Les communications sans fil en milieu indoor (intérieur des bâtiments) sont souvent altérées par les effets du milieu de propagation par atténuation par les obstacles divers et interférence (destructive) dues aux réflexions multiples (multi-trajets). Ces effets se traduisent par une baisse systématique du bilan de puissance synonyme d’une réduction de la puissance reçue au niveau du terminal de réception. L’objectif visé dans ce travail consiste à booster la puissance reçue par redirection des ondes électromagnétiques directement sur le récepteur (rectenna, récepteur Wi-Fi). L’idée consiste à concevoir des surfaces réfléchissantes (réseaux réflecteurs) capables de rediriger les ondes électromagnétiques ambiantes quelque soient les incidences et les polarisations. Ce nouveau type de réflecteur envisagé se différencie des réflecteurs conventionnels notamment par l’absence d’un point focal fixe supposé proche du réseau, et son illumination en onde plane. Les verrous scientifiques à lever consiste à proposer une méthodologie rigoureuse de conception de ce type de réflecteur avec les fonctionnalités de multi-incidence et de multi-polarisation. Ce travail est réalisé dans le cadre du projet SURFAS, un projet INTERREG de coopération transfrontalière France (Manche) Angleterre. Le projet est co-financé par le FEDER. L'ESIGELEC en est le chef de file.

Nowadays, the wireless mobile communications are witnessing unprecedented growth fueled by the huge number of connected devices increasing importantly the demands for high-volume data traffic, requiring thus intensive computation and leading to high energy consumption. However, this expansion of wireless services is still restrained by mobile terminals limitations, in terms of processing capacity, storage and energy. Mobile Edge Computing (MEC) and Energy Harvesting (EH) schemes have been recently proposed as promising technologies to extend the battery lives of mobile devices and improve their computing capabilities. On one hand, MEC enables offloading computation tasks from mobile devices to nearby Base Station with more energy and computations resources. On the other hand, EH exploits alternative renewable energy sources to power mobile devices. However, the stochastic nature of renewable energy may lead to energy outage. In such cases, the system’s performance can be degraded due to packet loss or intolerable latency. In order to sensure the system sustainability, efficient transmission policies under EH constraints are needed. In this thesis, we investigate the joint resource scheduling and computation offloading in a single user MEC system operating with EH based devices. The main contribution of this work is the introduction of the strict delay constraint instead of the average delay constraint to satisfy future requirements of lowlatency communications and critical applications. We study three different setups. In the first setup, we consider a perfect Channel State Information (CSI) at the transmitting device and we aim to minimize the packet loss due to delay violation and buffer overflow at the device’s data buffer. The associated optimization problem is modeled as Markov Decision Process and the optimal policy is exhibited through Dynamic Programming techniques. We show that the optimal policy outperforms other policies by adapting the number of processed packets to the system states. In the second setup, we consider a more realistic scenario, where the channel is not perfectly known at the transmitter and it is acquired after an estimation phase. In fact, this estimation can be erroneous degrading thus further the packet loss rate. Hence, we evaluate the previously obtained optimal policy under imperfect CSI conditions and we show that it remains robust with respect to other policies. Finally, we address the setup with no CSI at the transmitter. We therefore assume that an outdated CSI is only available and we show that the proposed optimal policy can still achieve good performance compared to other policies., Aujourd’hui, les communications mobiles sans fil sont en pleine croissance, en raison du grand nombre d’appareils connectés, ce qui augmente considérablement la demande de gros volumes de données, nécessitant des calculs intensifs et entraînant une forte consommation d’énergie. Toutefois, cette expansion des services sans fil est encore entravée par les limitations des terminaux mobiles, en termes de capacité de traitement, de stockage et d’énergie. Récemment, le Mobile Edge Computing (MEC) et la récupération d’énergie (EH) ont été proposés comme des technologies prometteuses pour prolonger la durée de vie des batteries des appareils mobiles et améliorer leurs capacités de traitement. D’une part, le MEC permet de décharger les tâches de calcul des appareils mobiles vers une station de base voisine avec plus d’énergie et de ressources de traitement. D’autre part, l’EH exploite des sources d’énergie alternatives et renouvelables pour alimenter les appareils mobiles. Cependant, la nature stochastique des énergies renouvelables peut entraîner des pénuries d’énergie. Dans ce cas, les performances du système peuvent être dégradées en raison de la perte de paquets ou d’une latence intolérable. Afin de garantir la durabilité du système, des politiques de transmission efficaces sous les contraintes de l’EH sont nécessaires. Dans cette thèse, nous étudions la planification conjointe des ressources et le déchargement des calculs dans un système MEC monoutilisateur fonctionnant avec des dispositifs basés sur l’EH. La contribution principale de ce travail est l’introduction de la contrainte de délai stricte au lieu de la contrainte de délai moyenne pour satisfaire les besoins futurs des communications à faible latence et des applications critiques. Nous étudions trois configurations différentes. Dans la première configuration, nous considérons que le canal est parfaitement connu au niveau de l’émetteur (CSI parfait) et nous visons à minimiser la perte de paquets due à la violation du délai et au débordement de la mémoire tampon du dispositif. Le problème d’optimisation associé est modélisé comme un processus de décision de Markov et la politique optimale est donnée par des techniques de programmation dynamique. Nous montrons que la politique optimale est plus performante que les autres politiques en adaptant le nombre de paquets traités aux états du système. Dans la seconde configuration, nous considérons un scénario plus réaliste, où le canal n’est pas parfaitement connu à l’émetteur et il est acquis après une phase d’estimation. En fait, cette estimation peut être erronée entraînant une dégradation supplémentaire du taux de perte de paquets. Par conséquent, nous évaluons la politique optimale obtenue précédemment lorsque le CSI est imparfait et nous montrons qu’elle reste robuste par rapport à d’autres politiques. Enfin, nous examinons la configuration sans CSI au niveau de l’émetteur. Nous supposons donc qu’un CSI obsolète est seulement disponible et nous montrons que la politique optimale proposée peut encore atteindre de bonnes performances par rapport à d’autres politiques

This thesis is part of the Lab-TMEMS project, a collaboration between the GREMAN laboratory and the VERMON Company. The goal of this project is to realize miniaturized piezoelectric devices harvesting energy from low frequency vibrations in order to supply devices used in biomedical applications, for example. Thus, the objective of this thesis is to propose a strategy for the design and optimization of such devices. In order to achieve this objective, we have developed an original approach of modeling by finite element method in three-dimensional space in order to model the whole structure of the harvester. After being validated experimentally, our design tool is used to optimize the piezoelectric harvester according to given specifications. This design tool for linear piezoelectric harvesters design was developed based on geometrical parametric studies in linear domain. By using this tool, we have designed, fabricated and characterized the optimized piezoelectric harvester. Then we integrated it into an autonomous wireless sensor used for the preventive maintenance of an industrial rotating machine. The power recovered from the harvester, coupled with its power management circuit, is sufficient to power the sensor by making it autonomous., Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet Lab-TMEMS, une collaboration entre le laboratoire GREMAN et l’entreprise VERMON. Le but de ce projet est de réaliser des générateurs piézoélectriques miniaturisés convertissant l’énergie de vibrations basses fréquences, pour alimenter des composants électroniques utilisés notamment dans des applications biomédicales. L’objectif de cette thèse est donc de proposer une stratégie de conception et d’optimisation de tels dispositifs. Afin d’atteindre cet objectif, nous avons développé une démarche originale de modélisation par la méthode des éléments finis en tridimensionnel, pour modéliser l’ensemble de la structure du générateur. Après avoir été validé expérimentalement, notre outil de conception est utilisé pour optimiser le générateur piézoélectrique selon un cahier des charges spécifique. Cet outil de conception s’appuie sur des études paramétriques géométriques, en considérant un régime de fonctionnement linéaire. Grâce à cette méthode, nous avons conçu, fabriqué et caractérisé un générateur piézoélectrique optimisé et l’avons ensuite intégré dans un capteur communicant utilisé pour la maintenance préventive d’une machine tournante industrielle. Nous avons ainsi démontré que la puissance fournie par le générateur puis convertie par un circuit électronique dédié est suffisante pour alimenter le capteur et le rendre ainsi autonome.

The demand for new technologies of energy conversion is dramatically increasing that can offer increased life to the micro-systems and also ensures their energy autonomy without any human intervention. By exploiting nanotechnologies, the present thesis focuses on the development of new generation of flexible and robust piezoelectric mechanical energy harvesters, from piezoelectric materials. Both experiment and theoretical simulation studies are performed to improve the performance of PiezoElectric NanoGenerators (PENGs). The active piezoelectric material, ZnO nanowires, are synthesized via cost-effective and low-temperature hydrothermal synthesis route, compatible with different types of flexible substrates. Studies have been carried out in order to optimize the properties of piezoelectric material properties such as effect of free charge density in semiconductor, density and morphology of nanowires. Flexible PENGs on a polydimethylsiloxane substrate are also manufactured and subjected to a low frequency compression force, showing good performance reproducibility, with an average power of 0,25 μW on a load of 56 MΩ, for an applied force of 6 N at the frequency of 5 Hz. This thesis can open up interesting opportunities to develop fully flexible mechanical energy recovery systems for the development of autonomous micro systems., La demande de nouvelles technologies de conversion d'énergie augmente considérablement. Elle a pour but d’offrir une durée de vie augmentée aux microsystèmes et garantir ainsi leur autonomie sans aucune intervention humaine. Dans cette thèse, nous exploitons les nanotechnologies pour le développement d’une nouvelle génération de récupérateurs d’énergie mécanique flexibles et robustes, à partir des matériaux piézoélectriques. Des études expérimentales et des simulations numériques ont été effectuées afin d’améliorer les performances des NanoGénérateurs PiézoElectriques (PENG). Le dispositif piézoélectrique actif choisi est à base de nanofils de ZnO, synthétisé via une voie de synthèse hydrothermale à faible coût et basse température, compatible avec l’utilisation de substrats souples. Des études ont été effectuées dans le but d’optimiser les propriétés des nanostructures piézoélectriques, tels que la densité de charge libre dans le semi-conducteur, mais aussi la densité surfacique et la morphologie des nanofils. Des PENGs flexibles sur substrat de polydiméthylsiloxane, ont également été fabriqués et soumis à une force de compression à basse fréquence, montrant une bonne reproductibilité des performances, avec une puissance moyenne de 0,25 μW sur une charge de 56 MΩ, pour une force de 6 N appliquée à la fréquence de 5 Hz. Cette thèse ouvre d’intéressantes perspectives de développement des systèmes de récupération d'énergie mécanique totalement flexibles pour un développement de microsystèmes autonomes.

Les objets connectés sont un marché en plein essor. Leur but : ajouter plus d'intelligence, de connectivité, de simplicité d'utilisation aux objets de notre quotidien, aux capteurs industriels, aux compteurs d'eau, d'électricité…. Un des verrous majeurs de ces objets connectés reste l'autonomie énergétique. Ce challenge peut cependant être relevé grâce à la récupération et à la transformation en électricité de l'énergie présente dans l'environnement du dispositif à alimenter, et plus communément appelée "récupération d'énergie". Après un état de l'art des différentes solutions de récupération d'énergie ambiante (photovoltaïque, thermoélectrique…), ce mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches synthétise les résultats de sept années de recherche sur la récupération d'énergie adoptant une approche "Système", allant du récupérateur d'énergie à l'application basse consommation en passant par l'électronique de gestion. La majeure partie des dispositifs proposés sont des systèmes de récupération d'énergie mécanique (vibrations, chocs, écoulements d'air et d'eau) réalisés dans le cadre de thèses ou de partenariats avec des acteurs privés ou institutionnels. La démarche de conception mise en œuvre passe par la mise en place de modèles analytiques couplés (multiphysiques), de simulations par éléments finis et par la réalisation et la caractérisation de prototypes. Les perspectives de ces travaux et de la récupération d'énergie plus généralement sont proposées à la fin de ce mémoire.

The Internet of Things is growing rapidly, and requires the development of autonomous communicating sensors. The autonomy of such sensors can be achieved by harvesting ambient energy in order to limit the use of batteries. The objective of the thesis is to extend the conversion possibilities by developing a micro wind turbine as small as possible to recover the kinetic energy of low wind speeds. A break in geometry is necessary and is based in this work on biomimetics.To this end, a study of samaras behaviour by stereo image correlation is being carried out to reconstruct their movement in three dimensions. In a first case, the samaras fall vertically; in a second configuration they are drilled at the location of their center of rotation and placed on a horizontal axis inside a wind tunnel. The samaras rotate up to 89% faster than in free fall with almost 2000 rev/min: thus they are a good model for efficient micro wind turbine blades.Then, several bioinspired propellers are designed and manufactured by stereolithography. The propellers are then assembled with a miniature electromagnetic generator made at the CEA Grenoble. The best of them is identified after a battery of tests. Thereafter, the efficiency of the optimal micro wind turbine is verified by measuring the powers developed for a wide range of winds (up to 8 m/s). The maximum power ranges from 50 µW for 1.2 m/s to more than 80 mW at 8 m/s; the optimal power coefficient and total efficiency appear at 4 m/s and are respectively 29% and 17.5%. This places us above the best prototypes in literature. Therefore, the validity of the initial choice of biomimicry and its contribution to small dimensions is confirmed, L'Internet des objets est en pleine croissance, et nécessite le développement de capteurs autonomes communicants. L'autonomie de tels capteurs peut passer par la récupération d'énergie ambiante afin de limiter l'utilisation de batteries. L'objectif de la thèse est d'étendre les possibilités de conversion en développant une micro éolienne aussi petite que possible pour récupérer l'énergie cinétique des vents à faibles vitesses. Une rupture au niveau de la géométrie est nécessaire et se fonde dans ces travaux sur le biomimétisme.Dans cet objectif, une étude du comportement des samares par stéréocorrélation d'images est menée afin de reconstruire leur mouvement en trois dimensions. Dans un premier cas, les samares chutent verticalement ; dans une deuxième configuration elles sont percées à l'emplacement de leur centre de rotation et sont placées sur un axe horizontal dans une soufflerie. Les samares tournent alors jusqu'à 89% plus rapidement qu'en chute libre avec presque 2000 trs/min : elles sont donc un bon modèle pour des pales de micro éolienne efficace.Puis, plusieurs hélices bioinspirées sont conçues et fabriquées par stéréolithographie. Les hélices sont ensuite assemblées avec une génératrice électromagnétique miniature réalisée au CEA de Grenoble. La meilleure d'entre elles est identifiée après une batterie de tests. Par la suite, l'efficacité de la micro éolienne optimale est vérifiée en mesurant les puissances développées pour une large gamme de vents (jusqu'à 8 m/s). La puissance maximale s'étale de 50 µW pour 1,2 m/s à plus de 80 mW à 8 m/s ; le coefficient de puissance et le rendement total optimaux apparaissent à 4 m/s et sont respectivement de 29% et 17,5%. Cela nous place au-dessus des meilleurs prototypes de la littérature. Par conséquent, la validité du choix initial du biomimétisme et de son apport pour les petites dimensions est confirmée

Energy autonomy is a major challenge in the massive deployment of wireless sensor networks in numerous applications. Energy harvesting and storage can serve as solutions to the autonomy issues. However, the harsh environment of certain applications requires a long lifetime since the use of batteries for storage is prohibited. We then resort to storage on ultra-capacitors. This type of storage has disadvantages that require a compromise between 3 factors: the fast charge of ultra-capacitors (low capacity), the maximum energy storage (strong capacity), and the maximization of stored energy utilization (low residual voltage). To meet these seemingly contradictory criteria, we propose three self-adaptive storage architectures. The first consists of a matrix of four identical ultra-capacitors, interconnected by switches, whose equivalent capacity adapts to the stored energy. The second and third architectures consist of two ultra-capacitors, one of low capacity and the other of large capacity, the difference between the two architectures being related to the number and type of switches used. The self-adaptive storage architectures that we propose include a suitable self-powered control circuitry to vary the apparent capacity of the device. In addition, each architecture allows a cold start with completely empty ultra-capacitors. These three architectures were first optimized through simulation, and then validated experimentally with discrete components. Finally, we implemented the self-adaptive storage architecture with two ultra-capacitors in a completely wireless measurement system, using an energy harvesting source and its associated electronics for its power supply, and demonstrated the relevance of this approach of reconfigurable storage. In conclusion, we deduce that the topologies can reach an efficiency of energy usage of up to 94.7% by employing discrete components, a value that could be further improved through the exploitation of a silicon integrated version for both the control circuitry and the ultra-capacitors.; L'autonomie énergétique est un verrou majeur au déploiement massif de réseau de capteurs sans fil dans nombreuses applications. La récupération d'énergie et son stockage constituent une voie pour améliorer cette autonomie. Dans certaines applications en environnement sévère ou nécessitant des durées de vie élevées, l'utilisation de batteries pour le stockage est prohibée. On a alors recours à du stockage sur supercondensateurs. Ce type de stockage présente des inconvénients nécessitant un compromis entre 3 facteurs : la charge rapide des supercondensateurs (capacité faible), l'énergie maximale stockée (capacité forte) et la maximisation de l'usage de l'énergie stockée (tension résiduelle basse). Pour répondre à ces critères apparemment contradictoires, nous avons proposé trois architectures de stockage auto-adaptatif. La première est composée d'une matrice de quatre supercondensateurs identiques, interconnectés par des interrupteurs, dont la capacité équivalente s'adapte à l'énergie stockée. Les deuxième et troisième architectures sont constituées de deux supercondensateurs, l'une de capacité faible et l'autre de capacité grande, la différence entre les deux architectures étant liée au nombre et type d'interrupteurs utilisés. Les architectures de stockage auto-adaptatif que nous avons proposées incluent une circuiterie de contrôle appropriée autoalimentée et permettant de faire varier la capacité apparente du dispositif. De plus, chaque architecture permet un démarrage à froid avec des supercondensateurs complètement vides. Ces trois architectures ont d'abord été optimisées en simulation puis validées expérimentalement en composants discrets. Finalement, nous avons implémenté l'architecture de stockage auto-adaptatif à deux supercondensateurs au sein d'un système de mesure sans fil complet utilisant une source de récupération d'énergie et son électronique associée pour son alimentation et montré la pertinence de cette approche de stockage reconfigurable. En termes d'efficacité d'usage de l'énergie, elles permettent d'atteindre jusqu'à 94,7% en composants discrets, valeur qui pourrait être encore améliorée en version intégrée sur silicium à la fois pour la circuiterie de contrôle et les supercondensateurs.

This thesis concerns vibratory energy harvesting in order to propose an alternative to conventional batteries for the power supply of autonomous wireless systems. This would improve their compactness (less stored energy), their resistance to harsh environments (high temperature) and reduce their need for maintenance. This study focuses in particular on bistable oscillating generators, which are interesting for their large useful frequency range compared to that offered by linear generators (limited to the resonance zone). This thesis is divided into four main parts. The first presents the construction of the mathematical model to predict the different behaviors of the bistable generator (these behaviors can coexist over certain frequency ranges) including the study of stability to small disturbances. This model highlights original behaviors for energy recovery: subharmonic behaviors whose frequency range allows increasing the overall generator bandwidth. In order to improve the accuracy of the model, a semi-analytical criterion is then added: the stability robustness criterion which characterizes the sensitivity of the different behaviors to external disturbances (the more robust a behavior, the easier to maintain over time). The model obtained and the experimental prototype show a wide frequency range on which the interesting behaviors (high orbits) and the undesirable behaviors (low orbits) coexist. The third part of this thesis therefore presents different strategies for jumping from low to high orbits by playing directly on the generator parameters. Finally, the fourth and last part focuses on the influence of the AC-DC interface circuit between the bistable generator and the load for future integration.; Cette thèse concerne la récupération d'énergie vibratoire dans le but de proposer une alternative aux batteries conventionnelles pour l’alimentation de systèmes autonomes sans fil. Ceci permettrait d’améliorer leur compacité (moins d’énergie stockée), leur tenue dans des environnements sévères (forte température) et de réduire leur besoin d'entretien. Cette étude se concentre plus particulièrement sur les générateurs oscillants bistables, intéressants pour leur grande plage de fréquences utile comparée à celle offerte par les générateurs linéaires (limitée à la zone de résonance). Cette thèse se divise en quatre grandes parties. La première présente la construction du modèle mathématique permettant de prédire les différents comportements du générateur bistable (ces derniers pouvant coexister sur certaines plages de fréquences) incluant l'étude de la stabilité aux petites perturbations. Ce modèle met en évidence des comportements du générateur encore peu exploités pour la récupération d'énergie : les comportements sous-harmoniques dont la plage de fréquences permet d'agrandir la bande passante globale du générateur. Afin d’améliorer la précision du modèle, celui-ci est ensuite complété dans la deuxième partie par un critère semi-analytique : le critère de robustesse de stabilité qui caractérise la sensibilité du générateur aux perturbations extérieures (plus un comportement est robuste plus il sera facile à maintenir dans le temps). Le modèle ainsi obtenu ainsi que le système expérimentale montrent une grande plage de fréquences sur laquelle coexistent des comportements intéressants pour la récupération d’énergie (les orbites hautes) et des comportements non désirables (les orbites basses). La troisième partie de cette thèse présente donc différentes stratégies permettant de sauter des orbites basses vers les orbites hautes en jouant directement sur les paramètres du générateur. Enfin, la quatrième et dernière partie s’attarde sur l’influence du circuit d'interface AC-DC entre le générateur bistable et la charge en vue de son intégration future.

This thesis concerns vibratory energy harvesting in order to propose an alternative to conventional batteries for the power supply of autonomous wireless systems. This would improve their compactness (less stored energy), their resistance to harsh environments (high temperature) and reduce their need for maintenance. This study focuses in particular on bistable oscillating generators, which are interesting for their large useful frequency range compared to that offered by linear generators (limited to the resonance zone). This thesis is divided into four main parts. The first presents the construction of the mathematical model to predict the different behaviors of the bistable generator (these behaviors can coexist over certain frequency ranges) including the study of stability to small disturbances. This model highlights original behaviors for energy recovery: subharmonic behaviors whose frequency range allows increasing the overall generator bandwidth. In order to improve the accuracy of the model, a semi-analytical criterion is then added: the stability robustness criterion which characterizes the sensitivity of the different behaviors to external disturbances (the more robust a behavior, the easier to maintain over time). The model obtained and the experimental prototype show a wide frequency range on which the interesting behaviors (high orbits) and the undesirable behaviors (low orbits) coexist. The third part of this thesis therefore presents different strategies for jumping from low to high orbits by playing directly on the generator parameters. Finally, the fourth and last part focuses on the influence of the AC-DC interface circuit between the bistable generator and the load for future integration., Cette thèse concerne la récupération d'énergie vibratoire dans le but de proposer une alternative aux batteries conventionnelles pour l’alimentation de systèmes autonomes sans fil. Ceci permettrait d’améliorer leur compacité (moins d’énergie stockée), leur tenue dans des environnements sévères (forte température) et de réduire leur besoin d'entretien. Cette étude se concentre plus particulièrement sur les générateurs oscillants bistables, intéressants pour leur grande plage de fréquences utile comparée à celle offerte par les générateurs linéaires (limitée à la zone de résonance). Cette thèse se divise en quatre grandes parties. La première présente la construction du modèle mathématique permettant de prédire les différents comportements du générateur bistable (ces derniers pouvant coexister sur certaines plages de fréquences) incluant l'étude de la stabilité aux petites perturbations. Ce modèle met en évidence des comportements du générateur encore peu exploités pour la récupération d'énergie : les comportements sous-harmoniques dont la plage de fréquences permet d'agrandir la bande passante globale du générateur. Afin d’améliorer la précision du modèle, celui-ci est ensuite complété dans la deuxième partie par un critère semi-analytique : le critère de robustesse de stabilité qui caractérise la sensibilité du générateur aux perturbations extérieures (plus un comportement est robuste plus il sera facile à maintenir dans le temps). Le modèle ainsi obtenu ainsi que le système expérimentale montrent une grande plage de fréquences sur laquelle coexistent des comportements intéressants pour la récupération d’énergie (les orbites hautes) et des comportements non désirables (les orbites basses). La troisième partie de cette thèse présente donc différentes stratégies permettant de sauter des orbites basses vers les orbites hautes en jouant directement sur les paramètres du générateur. Enfin, la quatrième et dernière partie s’attarde sur l’influence du circuit d'interface AC-DC entre le générateur bistable et la charge en vue de son intégration future.

A growing number of portable and wearable electronics results in an increasing demand of sustainable and localized power supply module of small size and weight, and offering high output power. As a promising choice for the power supply, Kinetic energy harvesters (KEHs), transforming the ambient vibrations or motions into electrical energy, are studied intensively in recent yeas. The performance of the miniature KEHs available in literature are generaly confined by their sized. The ambient vibrations are usually abundant in low frequency, which is also a major factor restricting the output power of the KEH. In order to enhance the power output, we should improve the energy conversion efficiency, which is related to the transduction principle. This work presents the improvement of the output power of low frequency electrostatic KEHs through impact-coupled mechanical frequency up conversion mechanism, and proposes a predictive numerical model of the prototype which considers the squeeze film air damping effect and the impacts in the prototype. A prototype is proposed with improved geometry of capacitive module reducing the air damping force. Alternative approaches to adjust the KEHs to varied applications are proposed, including a fully flexible KEH designed for wearable electronics, and a 2-D low frequency KEH that is sensible to vibrations along two orthogonal directions. In addition, a fully energy-autonomous RFID tag system implementing the low frequency KEH as the power supply module and a semi-passive RFID communication module is presented; Un nombre croissant d’appareils électroniques portatifs et portables entraîne une demande croissante de module d’alimentation électrique durable et localisé de petite taille et de poids, et offrant une puissance de sortie élevée. En tant que choix prometteur pour l’alimentation électrique, les moissonneuses d’énergie cinétiques (REC), qui transforment les vibrations ou les mouvements ambiants en énergie électrique, sont étudiées de manière intensive ces dernières années. Les performances des RECs miniatures disponibles dans la littérature sont généralement limitées par leur taille. Les vibrations ambiantes sont généralement abondantes en basse fréquence, ce qui est également un facteur majeur limitant la puissance de sortie du REC. Afin d’améliorer la puissance de sortie, nous devrions améliorer l’efficacité de la conversion d’énergie, qui est liée au principe de transduction. Ce travail présente l’amélioration de la puissance de sortie des RECs électrostatiques basse fréquence grâce à un mécanisme de conversion de fréquence mécanique couplé par impact, et propose un modèle numérique prédictif du prototype qui prend en compte l’effet d’amortissement de l’air et les impacts dans le prototype. Un prototype est proposé avec une géométrie améliorée du module capacitif réduisant la force d’amortissement de l’air. Des approches alternatives pour ajuster les RECs à des applications variées sont proposées, y compris un REC entièrement flexible conçue pour l’électronique portable, et un REC à basse fréquence 2-D sensible aux vibrations suivant deux directions orthogonales. De plus, un système d’étiquette RFID entièrement autonome en énergie mettant en œuvre le REC à basse fréquence en tant que module d’alimentation électrique et un module de communication RFID semi-passif est présenté

This work is devoted to the study and the development of energy harvesters integrated in an automobile suspension, for example to supply either a microcontroller or sensors, or to perform an health check of parts or render semi-active the shock absorber within a suspension of an autonomous vehicle according to the level of energy available. Given the types of displacement available in the suspension, it is natural to move towards electromagnetic techniques for energy recovery related to large displacements and to piezoelectric techniques for vibrations. However, the use of such systems is complex and a number of technical issues need to be addressed to implement them. First, a perfect knowledge of piezoelectric and electromagnetic conversion techniques is required. To this end, the Bond Graph language is used and successfully applied to the entire suspension system as well as energy harvesters because of its ability to translate physical effects and energy exchanges into multiphysics systems. Furthermore, simulation / experiment confrontations are carried out in the laboratory on each of the piezoelectric and electromagnetic energy harvesters, to ensure the proper functioning of these systems during their integration into a real vehicle. Thus, defects of different nature such as the magnetic force deforming the translation movement of the damper, the poor conduction of the magnetic field lines or the damage of the piezoelectric material during repeated tests, are analyzed in the first demonstrators in order to be corrected. Finally, a global model of automobile suspension simultaneously integrating the two subsystems of energy recovery is studied. To complete this analysis, a modeling of the circuit of restitution and energy storage is also proposed and allows a qualitative and quantitative study of the performances of piezoelectric and electromagnetic energy recovery systems. The results from these models are used to design energy recovery systems that best fit the automotive field. To conclude, road tests with the piezoelectric energy harvesters demonstrate the validity of the theoretical analysis and the feasibility of the techniques developed.; Ce travail est consacré à l’étude et à la mise au point de récupérateurs d’énergie intégrés à une suspension automobile afin par exemple d’alimenter soit un microcontrôleur, soit des capteurs, soit de réaliser le contrôle santé des pièces ou encore de rendre l’amortisseur au sein d’une suspension d’un véhicule semi-actif autonome en fonction du niveau d’énergie disponible. Compte tenu des types de déplacement disponible dans la suspension, il est naturel de s’orienter vers des techniques électromagnétiques pour la récupération d’énergie liée aux grands déplacements et vers des techniques piézoélectriques pour les vibrations. L’utilisation de tels systèmes s’avère cependant complexe et un certain nombre de points techniques doivent être résolus pour les mettre en œuvre. En premier lieu, une parfaite connaissance des techniques de conversion piézoélectrique et électromagnétique est nécessaire. Dans ce but, le langage Bond Graph est utilisé et appliqué avec succès sur l’ensemble du système de suspension ainsi que sur les récupérateurs d’énergie en raison de sa capacité à traduire les effets physiques et les échanges énergétiques au sein de systèmes multiphysiques. D’autre part, des confrontations simulation/expérience sont réalisées en laboratoire sur chacun des récupérateurs d’énergie piézoélectrique et électromagnétique, afin de s’assurer du bon fonctionnement de ces systèmes lors de leurs intégrations dans un véhicule réel. Ainsi, des défauts de nature différente comme la force magnétique déformant le mouvement de translation de l’amortisseur, la mauvaise conduction des lignes de champ magnétique ou les endommagements du matériau piézoélectrique lors d’essais répétés, sont analysés dans les premiers démonstrateurs afin d'être ensuite corrigés. Enfin, un modèle global de suspension automobile intégrant simultanément les deux sous-systèmes de récupération d’énergie est étudié. Afin de compléter cette analyse, une modélisation du circuit de restitution et du stockage d’énergie est également proposée et permet une étude qualitative et quantitative des performances des systèmes de récupération d’énergie piézoélectrique et électromagnétique. Les résultats issus de ces modèles sont exploités dans le but de concevoir des récupérateurs d’énergie s’adaptant au mieux au domaine de l'automobile. Pour conclure, des tests sur route avec le récupérateur d’énergie piézoélectrique démontrent la validité de l’analyse théorique et la faisabilité des techniques développées.

National audience; The electronic domain has known a significant expansion the last decades, all the advancements made has led to the development of miniature and efficient electronic devices used in many applications such as cyber physical systems. These systems use low-power wireless sensors for: detection, monitoring and so on. The use of wireless sensors has many advantages: • The flexibility of their location, they allow the access to hazardous areas. • The realization of lighter system, less expensive and less cumbersome. • The elimination of all the problems associated to the cables (erosion, impermeability…) • The deployment of sensor arrays. Therefore, these wireless sensors need to be supplied somehow with energy to be able to function properly. The classic ways of supplying energy such as batteries have some drawbacks, they are limited in energy and must be replaced periodically, and this is not conceivable for applications where the wireless sensor is placed in hazardous places or in places where the access is impossible. So, it is necessary to find another way to permanently provide energy to these wireless sensors. The integration and miniaturization of the electronic devices has led to low power consumption systems, which opens a way to another techniques in terms of providing energy. Amongst the possibilities, we can find the Wireless Power Transfer (WPT) and Energy Harvesting (EH). In fact, the electromagnetic energy is nowadays highly available in our planet thanks to all the applications that use wireless systems. We can take advantage of this massive available quantity of energy and use it to power-up the low power wireless sensors. This thesis is incorporated within the framework of WPT and EH. Its objective is the conception and realization of electromagnetic energy harvesters called “Rectenna” in order to supply energy to low power wireless sensors. The term “rectenna” is the combination of two words: Antenna and Rectifier. The Antenna is the module that captures the electromagnetic ambient energy and converts it to a RF signal, the rectifier is the RF circuit that converts this RF signal into a continuous (DC) signal that is used to supply the wireless sensors. In this manuscript, several rectennas will be presented, for different frequencies going from the GSM frequencies (868 MHz, 915 MHz) to the Ku/Ka bands.; L’électronique a connu une évolution incontestable ces dernières années. Les progrès réalisés, notamment dans l’électronique numérique et l’intégration des circuits, ont abouti à des systèmes plus performants, miniatures et à faible consommation énergétique. Les évolutions technologiques, alliant les avancées de l’informatique et des technologies numériques et leur intégration de plus en plus poussée au sein d’objets multiples, ont permis le développement d’un nouveau paradigme de systèmes qualifiés de systèmes cyber-physiques. Ces systèmes sont massivement déployés de nos jours grâce à l’expansion des applications liées à l’Internet Des Objets (IDO). Les systèmes cyber-physiques s’appuient, entre autre, sur le déploiement massif de capteurs communicants sans fil autonomes, ceux-ci présentent plusieurs avantages : • Flexibilité dans le choix de l’emplacement. Ils permettent l’accès à des zones dangereuses ou difficiles d’accès. • Affranchissement des câbles qui présentent un poids, un encombrement et un coût supplémentaire. • Elimination des problèmes relatifs aux câbles (usure, étanchéité…) • Facilité de déploiement de réseaux de capteurs Cependant, ces capteurs sans fils nécessitent une autonomie énergétique afin de fonctionner. Les techniques conventionnelles telles que les batteries ou les piles, n’assurent le fonctionnement des capteurs que pour une durée limitée et nécessitent un changement périodique. Ceci présente un obstacle dans le cas où les capteurs sans fils sont placés dans un endroit où l’accès est impossible. Il est donc nécessaire de trouver un autre moyen d’approvisionner l’énergie de façon permanente à ces réseaux de capteurs sans fil. L’intégration et la miniaturisation des systèmes électroniques ont permis la réalisation de systèmes à faible consommation, ce qui a fait apparaître d’autres techniques en termes d’apports énergétiques. Parmi ces possibilités se trouvent la récupération d’énergie électromagnétique et le transfert d’énergie sans fil (TESF). En effet, l’énergie électromagnétique est de nos jours, omniprésente sur notre planète, l’utiliser donc comme source d’énergie pour les systèmes électroniques semble être une idée plausible et réalisable. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre, elle a pour objectif la conception et la fabrication de systèmes de récupération d’énergie électromagnétique pour l’alimentation de réseaux de capteurs sans fil. Le circuit de récupération d’énergie électromagnétique est appelé « Rectenna », ce mot est l’association de deux entités qui sont « antenne » et « rectifier » qui désigne en anglais le « redresseur ». L’antenne permet de récupérer l’énergie électromagnétique ambiante et le redresseur la convertit en un signal continu (DC) qui servira par la suite à alimenter les capteurs sans fil. Dans ce manuscrit, plusieurs rectennas seront présentées, pour des fréquences allant des bandes GSM 868MHz, 915MHz, passant par l’UMTS à 2GHZ et WIFI à 2,45GHz, et allant jusqu’aux bandes Ku et Ka.

The electronic domain has known a significant expansion the last decades, all the advancements made has led to the development of miniature and efficient electronic devices used in many applications such as cyber physical systems. These systems use low-power wireless sensors for: detection, monitoring and so on. The use of wireless sensors has many advantages: * The flexibility of their location, they allow the access to hazardous areas. * The realization of lighter system, less expensive and less cumbersome. * The elimination of all the problems associated to the cables (erosion, impermeability...) * The deployment of sensor arrays. Therefore, these wireless sensors need to be supplied somehow with energy to be able to function properly. The classic ways of supplying energy such as batteries have some drawbacks, they are limited in energy and must be replaced periodically, and this is not conceivable for applications where the wireless sensor is placed in hazardous places or in places where the access is impossible. So, it is necessary to find another way to permanently provide energy to these wireless sensors. The integration and miniaturization of the electronic devices has led to low power consumption systems, which opens a way to another techniques in terms of providing energy. Amongst the possibilities, we can find the Wireless Power Transfer (WPT) and Energy Harvesting (EH). In fact, the electromagnetic energy is nowadays highly available in our planet thanks to all the applications that use wireless systems. We can take advantage of this massive available quantity of energy and use it to power-up the low power wireless sensors. This thesis is incorporated within the framework of WPT and EH. Its objective is the conception and realization of electromagnetic energy harvesters called "Rectenna" in order to supply energy to low power wireless sensors. The term "rectenna" is the combination of two words: Antenna and Rectifier. The Antenna is the module that captures the electromagnetic ambient energy and converts it to a RF signal, the rectifier is the RF circuit that converts this RF signal into a continuous (DC) signal that is used to supply the wireless sensors. In this manuscript, several rectennas will be presented, for different frequencies going from the GSM frequencies (868 MHz, 915 MHz) to the Ku/Ka bands.; L'électronique a connu une évolution incontestable ces dernières années. Les progrès réalisés, notamment dans l'électronique numérique et l'intégration des circuits, ont abouti à des systèmes plus performants, miniatures et à faible consommation énergétique. Les évolutions technologiques, alliant les avancées de l'informatique et des technologies numériques et leur intégration de plus en plus poussée au sein d'objets multiples, ont permis le développement d'un nouveau paradigme de systèmes qualifiés de systèmes cyber-physiques. Ces systèmes sont massivement déployés de nos jours grâce à l'expansion des applications liées à l'Internet Des Objets (IDO). Les systèmes cyber-physiques s'appuient, entre autre, sur le déploiement massif de capteurs communicants sans fil autonomes, ceux-ci présentent plusieurs avantages : * Flexibilité dans le choix de l'emplacement. Ils permettent l'accès à des zones dangereuses ou difficiles d'accès. * Affranchissement des câbles qui présentent un poids, un encombrement et un coût supplémentaire. * Elimination des problèmes relatifs aux câbles (usure, étanchéité...) * Facilité de déploiement de réseaux de capteurs Cependant, ces capteurs sans fils nécessitent une autonomie énergétique afin de fonctionner. Les techniques conventionnelles telles que les batteries ou les piles, n'assurent le fonctionnement des capteurs que pour une durée limitée et nécessitent un changement périodique. Ceci présente un obstacle dans le cas où les capteurs sans fils sont placés dans un endroit où l'accès est impossible. Il est donc nécessaire de trouver un autre moyen d'approvisionner l'énergie de façon permanente à ces réseaux de capteurs sans fil. L'intégration et la miniaturisation des systèmes électroniques ont permis la réalisation de systèmes à faible consommation, ce qui a fait apparaître d'autres techniques en termes d'apports énergétiques. Parmi ces possibilités se trouvent la récupération d'énergie électromagnétique et le transfert d'énergie sans fil (TESF). En effet, l'énergie électromagnétique est de nos jours, omniprésente sur notre planète, l'utiliser donc comme source d'énergie pour les systèmes électroniques semble être une idée plausible et réalisable. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre, elle a pour objectif la conception et la fabrication de systèmes de récupération d'énergie électromagnétique pour l'alimentation de réseaux de capteurs sans fil. Le circuit de récupération d'énergie électromagnétique est appelé " Rectenna ", ce mot est l'association de deux entités qui sont " antenne " et " rectifier " qui désigne en anglais le " redresseur ". L'antenne permet de récupérer l'énergie électromagnétique ambiante et le redresseur la convertit en un signal continu (DC) qui servira par la suite à alimenter les capteurs sans fil. Dans ce manuscrit, plusieurs rectennas seront présentées, pour des fréquences allant des bandes GSM 868MHz, 915MHz, passant par l'UMTS à 2GHZ et WIFI à 2,45GHz, et allant jusqu'aux bandes Ku et Ka.

A new spherical autonomous acoustic sensor is proposed. It is intended to be immersed in a liquid or pasty medium to measure some physical properties of the medium and should harvest ambient energy to ensure its autonomy. The sensor is composed of two Plexiglas half-spherical shells and a PZ26 piezoelectric ring clamped between the two shells. This structure can be used as well as in exciter or sensor. A simulation model of vibrational energy harvesting has been developed considering only two modes of vibration: thickness and radial modes. For each mode, the ring behavior is described by an equivalent electromechanical circuit connecting the mechanical ports (forces and velocities) to the electrical port (voltage and current). This choice is guided by the possibility to combine the electromechanical part with the electronics that process the energy directly in a Spice based simulator. To validate this approach, a finite elements simulation was realized and compared to the electromechanical circuit results. Resonance frequencies were also verified experimentally with an impedance analyzer. All these verifications give results in very good agreement with the proposed electromechanical model, as well as in terms of resonant frequencies, harvested voltage and power. Finally several experimental investigations are presented with a prototype of spherical sensor. These validations show the adequacy of the predictions with the experimental results. Finally, a test of the harvesting circuit is done in real situation.; Un nouveau capteur acoustique sphérique autonome est proposé. Il est destiné à être immergé dans un milieu liquide ou pâteux pour mesurer certaines propriétés physiques du milieu et récupérer l'énergie vibratoire ambiante pour assurer son autonomie. Le capteur est composé de deux coquilles hémisphériques en plexiglas et d'une bague piézoélectrique en PZ26 fixée entre les deux coquilles. Cette structure peut être utilisée aussi bien en excitateur que capteur. Un modèle de simulation de la récupération d'énergie vibratoire a été développé en considérant seulement deux modes de vibration: mode épaisseur et mode radial. Pour chaque mode, le comportement de l’anneau est décrit par un circuit électromécanique équivalent reliant les ports mécaniques (forces et vitesses) au port électrique (tension et courant). Ce choix est guidé par la possibilité de combiner la partie électromécanique avec l'électronique qui traite l'énergie directement dans un simulateur basé sur Spice. Pour valider cette approche, une simulation par éléments finis a été réalisée et comparée aux résultats produits par le circuit électromécanique. Les fréquences de résonance ont également été vérifiées expérimentalement avec un analyseur d'impédance. Toutes ces vérifications donnent des résultats en très bon accord avec le modèle électromécanique proposé en termes de fréquences de résonance, de tension et de puissance collectées. Enfin, plusieurs validations expérimentales sont présentées avec un prototype de capteur sphérique. Ces validations montrent l’adéquation des prédictions avec les résultats expérimentaux. Finalement, un test du circuit de récupération est effectué en situation réelle.

The functionalization of common objects in the human’s environment with electronics is a fast-growing trend, as demonstrated by the emblematic example of smartphones which became almost essential in the everyday life in less than a decade. One important stake of these systems is their power supply, in terms of ergonomics as well as resources: the use of electromechanical batteries to fuel billions of connected “things” is not the most attractive prospect. Energy harvesting techniques may provide an alternative or a complement to the use of these storage units. This thesis explores different structures of generators to efficiently convert the user’s mechanical energy to ensure the electrical self-sufficiency of smart wearables.Based on power requirement considerations for a typical “smart shirt” and comparing human energy harvesters from the literature, different structures are investigated. The first one is an inertial electromagnetic generator, the size of an AA-battery, designed to convert footsteps impacts. A thoroughly modelled and optimized device is able to generate power densities over 500µW/cm3 while attached on the arm during a run. The second considered energy harvester format is a “looped” inertial structure which is adapted to exploit the swing-type motions of the user’s limbs. This system is able to produce milliwatts-level powers from the motion of a small magnetic ball inside the device. Finally, a third generator concept that relies on electrostatic induction was developed, which uses variable capacitance structures to turn clothes deformations into electricity. The architecture of this energy harvester combines the triboelectric effect with a circuit of built-up self-polarization, Bennet’s doubler. It enables high levels of bias voltages without the need of an external source, and thus to maximize the energy generated per electrostatic cycle. A simple test device is shown to produce over 150µJ per cycle. This approach is promising in terms of integration in smart clothing, because it enables the development of flexible and stretchable devices well complying with the comfort requirements of worn systems.The comparison of those three energy harvesters provides an interesting basis for the future developments of energy harvesters converting one’s mechanical energy., La fonctionnalisation « intelligente » des vêtements et accessoires portés par la personne est un phénomène à croissance rapide. L’installation des smartphones dans le quotidien des personnes en une décennie à peine en témoigne. L’autonomie énergétique de ces systèmes est un enjeu important, tant en termes d’ergonomie que de ressources : l’usage de piles ou batteries électrochimiques à l’échelle de milliards d’objets connectés est difficilement envisageable. La récupération d’énergie se pose en alternative pour complémenter ou remplacer ces unités de stockages. Cette thèse explore plusieurs approches pour utiliser l’énergie mécanique de la personne afin d’alimenter un vêtement intelligent en énergie électrique.Après avoir identifié le besoin énergétique d’un vêtement connecté typique, et comparé les possibilités des récupérateurs d’énergie de la littérature, trois formats de récupérateurs d’énergie sont étudiés. Le premier est un générateur inertiel à induction résonant non linéaire, de la taille d’une pile AA et permettant l’exploitation des impacts des pas de la personne. L’étude porte essentiellement sur la modélisation et l’optimisation du système pour l’activité humaine. Le prototype associé présente une densité de puissance supérieure à 500µW/cm3 lors de la course à pied. Le second récupérateur étudié est aussi un générateur inertiel à induction. D’une forme « toroïdale », il exploite le balancier des membres de la personne, et est capable de produire des puissances supérieures au milliwatt lorsqu’il est fixé au niveau du pied ou du bras. Enfin, le troisième concept de récupérateur d’énergie proposé s’appuie sur la transduction électrostatique à capacité variable pour exploiter des déformations dans les vêtements. Le système associe la triboélectricité avec un circuit d’auto-polarisation passif, le doubleur de Bennet. Cette combinaison permet de polariser une capacité variable de façon importante, sans source de tension externe, et ainsi de maximiser l’énergie électrostatique générée. Le dispositif réalisé pour faire la preuve du concept produit ainsi plus de 150µJ par cycle. Cette architecture électrostatique ouvre d’intéressantes possibilités en matière d’ergonomie et d’intégration dans les vêtements. En effet, elle laisse entrevoir le développement de structures étirables et flexibles s’adaptant bien aux contraintes de cette application.La comparaison de ces trois approches est instructive quant aux perspectives de développement du domaine de la conversion de l’énergie mécanique de la personne.

The functionalization of common objects in the human’s environment with electronics is a fast-growing trend, as demonstrated by the emblematic example of smartphones which became almost essential in the everyday life in less than a decade. One important stake of these systems is their power supply, in terms of ergonomics as well as resources: the use of electromechanical batteries to fuel billions of connected “things” is not the most attractive prospect. Energy harvesting techniques may provide an alternative or a complement to the use of these storage units. This thesis explores different structures of generators to efficiently convert the user’s mechanical energy to ensure the electrical self-sufficiency of smart wearables.Based on power requirement considerations for a typical “smart shirt” and comparing human energy harvesters from the literature, different structures are investigated. The first one is an inertial electromagnetic generator, the size of an AA-battery, designed to convert footsteps impacts. A thoroughly modelled and optimized device is able to generate power densities over 800µW/cm3 while attached on the arm during a run. The second considered energy harvester format is a “looped” inertial structure which is adapted to exploit the swing-type motions of the user’s limbs. This system is able to produce milliwatts-level powers from the motion of a small magnetic ball inside the device. Finally, a third generator concept that relies on electrostatic induction was developed, which uses variable capacitance structures to turn clothes deformations into electricity. The architecture of this energy harvester combines the triboelectric effect with a circuit of built-up self-polarization, Bennet’s doubler. It enables high levels of bias voltages without the need of an external source, and thus to maximize the energy generated per electrostatic cycle. A simple test device is shown to produce over 150µJ per cycle. This approach is promising in terms of integration in smart clothing, because it enables the development of flexible and stretchable devices well complying with the comfort requirements of worn systems. The comparison of those three energy harvesters provides an interesting basis for the future developments of energy harvesters converting one’s mechanical energy., La fonctionnalisation « intelligente » des vêtements et accessoires portés par la personne est un phénomène à croissance rapide, comme en témoigne l’installation des smartphones dans le quotidien des personnes en une décennie à peine. L’autonomie énergétique de ces systèmes est un enjeu important, tant en termes d’ergonomie que de ressources : l’usage de piles ou batteries électrochimiques à l’échelle de milliards d’objets connectés est difficilement envisageable. La récupération d’énergie se pose en alternative pour complémenter ou remplacer ces unités de stockages. Cette thèse explore plusieurs approches pour utiliser l’énergie mécanique de la personne afin d’alimenter un vêtement intelligent en énergie électrique.Après avoir identifié le besoin énergétique d’un vêtement connecté typique, et comparé les possibilités des récupérateurs d’énergie de la littérature, trois formats de récupérateurs d’énergie sont étudiés. Le premier est un générateur inertiel à induction résonant non linéaire, de la taille d’une pile AA et permettant l’exploitation des impacts des pas de la personne. L’étude porte essentiellement sur la modélisation et l’optimisation du système pour l’activité humaine. Le prototype associé présente une densité de puissance supérieure à 800µW/cm3 lors de la course à pied. Le second récupérateur étudié est aussi un générateur inertiel à induction. D’une forme « toroïdale », il exploite le balancier des membres de la personne, et est capable de produire des puissances supérieures au milliwatt lorsqu’il est fixé au niveau du pied ou du bras. Enfin, le troisième concept de récupérateur d’énergie proposé s’appuie sur la transduction électrostatique à capacité variable pour exploiter des déformations dans les vêtements. Le système associe la triboélectricité avec un circuit d’auto-polarisation passif, le doubleur de Bennet. Cette combinaison permet de polariser une capacité variable de façon importante, sans source de tension externe, et ainsi de maximiser l’énergie électrostatique générée. Le dispositif réalisé pour faire la preuve du concept produit ainsi plus de 150µJ par cycle. Cette architecture électrostatique ouvre d’intéressantes possibilités en matière d’ergonomie et d’intégration dans les vêtements. En effet, elle laisse entrevoir le développement de structures étirables et flexibles s’adaptant bien aux contraintes de cette application. La comparaison de ces trois approches est instructive quant aux perspectives de développement du domaine de la conversion de l’énergie mécanique de la personne.

Harvesting energy in the surrounding environment is an advantageous alternative to conventional batteries for powering autonomously remote sensors in addition to processing in an eco-friendly way. Many researches currently focus on harvesting energy from solar, thermal and vibrational sources scavenged in environments near the sensor. Less analyzed in the literature, the benthic microbial fuel cell (BMFC) is an emerging harvesting technology that exploits the waste materials in the seafloors. The catalysis properties of bacteria into a couple of redox reactions convert chemical energy from the sediment into electrical energy. Although promising as a long-term energy source for marine sensors, its power levels (around 100 μW) and voltage (0.6 V in open circuit) commit us to reflect on the design of its electronic harvesting interface. The first chapter of this thesis details the design of lab-made cm2-BMFC while maintaining conditions close to the natural environment. A second chapter focuses on characterizing and modeling the electrical behavior of BMFCs in the static and dynamic domains. Thanks to the static electric model, a harvesting electrical interface is defined and optimized to extract the maximum power and maximize the conversion efficiency. The flyback converter in discontinuous conduction mode is chosen. By using a model predicting the losses of the experimentally validated flyback, we studied the choice of the switching frequency, the duty cycle and the coupled inductances. We reached an efficiency of 82% and 64% for a BMFC delivering respectively 90 μW and 30 μW. A final chapter focuses on optimizing the harvesting interface by taking into account the different variabilities of the BMFC. In particular, the interest of the MPP monitoring is discussed and the influence of the flyback switched behavior on the additional dynamic losses within the BMFC is analyzed thanks to the dynamic electrical model of the BMFC deduced in the second chapter., La récupération d'énergie ambiante est une solution prometteuse pour alimenter de manière autonome des noeuds de capteurs en remplacement des batteries chimiques. Néanmoins, dans certains milieux tels que les fonds océaniques, l’absence de radiations lumineuses, de vibrations mécaniques ou de gradients de température suffisants interdit le recours à la récupération d’énergie conventionnelle. La pile microbienne benthique (BMFC pour Benthic Microbial Fuel Cell), est un système permettant de valoriser électriquement l’énergie stockée dans les sédiments à l'aide du métabolisme électro-actif des bactéries qui y sont naturellement présentes. La BMFC ouvre ainsi la voie à la récupération d’énergie en milieu marin et promet un apport d’énergie théoriquement illimitée du fait du renouvellement constant de l’écosystème. Les niveaux de puissance (autour de 5 µW/cm² d’électrode) et de tension (environ 0,6 V en circuit ouvert) engagent à mener une réflexion sur la conception d’une interface électronique de récupération afin d’extraire le maximum d'énergie et élever sa tension au minimum requis par une électronique conventionnelle utilisée dans les capteurs environnementaux (quelques volts).Le premier chapitre de cette thèse détaille la conception de BMFCs de taille centimétrique faites en laboratoire en maintenant des conditions proches du milieu naturel. Les BMFCs sont confectionnées avec des électrodes d’au minimum 20 cm² afin de générer une puissance « brute » d’environ 100 µW. Plusieurs piles sont caractérisées électriquement, mettant en valeur un point de puissance maximal (MPP) puis permettant de quantifier les puissances délivrées suivant les configurations (notamment lors d’une connexion en parallèle de BMFCs). Les variabilités dont sont sujettes les BMFCs se divisent en deux catégories : les premières sur le long terme (après plusieurs heures) et les secondes sur le court terme (inférieur à la seconde). La puissance au MPP peut ainsi varier de plus ou moins une décade en quelques semaines et lors d’une polarisation AC, la BMFC révèle un régime transitoire (dont l’origine sera déterminée au chapitre suivant).Le deuxième chapitre s’intéresse à caractériser et modéliser le comportement électrique de la pile en vue de concevoir de manière appropriée le circuit de récupération pour le dédier à une BMFC centimétrique dans son environnement naturel. Dans un premier temps, la BMFC est caractérisée dans le domaine « statique ». Dans un second temps, la BMFC est caractérisée dans le domaine « dynamique » (d’une microseconde à une heure) par spectroscopie d’impédance. Le modèle met ainsi en lumière deux branches RC parallèles auxquelles sont associées deux constantes de temps. Ce modèle dynamique est directement corrélé aux variabilités court-terme évoquées au chapitre 1.A l’aide du modèle « statique » équivalent d’une BMFC, une interface de récupération est définie et optimisée de manière à extraire le maximum d’énergie et maximiser le rendement de conversion aux chapitres 3 et 4. Le choix se porte sur le convertisseur hacheur à liaison indirecte isolée, dit flyback, en mode de conduction discontinue (MCD). Une étude de l’influence des différents paramètres a montré l’importance de travailler avec des valeurs d’inductance supérieures à plusieurs mH pour limiter la fréquence de découpage à quelques kHz et ainsi éviter une augmentation des pertes par commutation engendrées par l’oscillateur et le transistor de puissance. Un modèle prédisant les pertes du flyback, validé expérimentalement, a également permis de mettre en évidence la prédominance des pertes dues à l'hystérésis du matériau magnétique des inductances couplées. Cette observation a permis de proposer une fabrication sur mesure d’inductances couplées. En utilisant une électronique discrète, un convertisseur flyback a été conçu atteignant 82% de rendement pour une BMFC délivrant 90 µW. L’utilisation d’inductances couplées à l’air a également été étudiée, permettant d’atteindre un rendement de 62%, inférieur au rendement précédent en partie du fait de son inductance de fuite. Pour finir, l’analyse est étendue à des puissances trois fois plus faibles. Un rendement de 64% a ainsi été atteint à 30 µW.Un dernier chapitre s’intéresse à optimiser l’interface de récupération en prenant en compte les différentes variabilités de la BMFC (présentées au chapitre 1). Du fait de son comportement commuté, le convertisseur flyback impose un courant AC en sortie de la BMFC susceptible d’engendrer des pertes dites « dynamiques » supplémentaires au sein de la BMFC. Ces pertes représentent environ la moitié de la puissance délivrée au flyback. Elles deviennent néanmoins négligeables lors de l’ajout d’une capacité de découplage de quelques µF en sortie de la BMFC. Dans un second temps, l’intérêt du suivi du MPP est discuté dans le cas de nos BMFCs. Cette stratégie d’extraction ne permet pas de maximiser le rendement de conversion du flyback. Une BMFC de 20 cm² d’électrode a ainsi démontré pouvoir délivrer suffisamment d’énergie (95 µW) pour alimenter un capteur environnemental qui, toutes les 4 s, mesure la température ambiante et l’accélération et transmet ces données par protocole bluetooth à un récepteur.

New methods for energy generation based on the ambient energy harvesting are required for autonomous sensors development and their applications in the “smart-cities”. In this context, N-air-J project aims to realize micro-generators based on flexible piezoelectric films, able to harvest energy from the breeze. The work presented in this thesis is about the deposition of lead zirconate titanate (PZT) thin layer on aluminium thin foil. Structural, dielectric, ferroelectric and piezoelectric characterizations were realized. The generator optimization is focused on the PZT transfer from aluminium to polymer substrate. The technological process has been developed for the transfer. The use of an insulating and elastic substrate is very interesting for the realization of an interdigitated (IDE) electrode configuration. Energy harvesting properties of the two configurations, PZT/Al and PZT/polymer, were tested. Energy densities were found similar to those of more rigid structures presented in the literature. The use of the IDE confirms its great interest by delivering a voltage of several tens of volts.An analytical model was developed to study the behaviour of the piezoelectric beam used in this work. Experimental studies quantify the influence of air friction on the beam vibratory behaviour. Fluid-structure interaction simulation has demonstrated the possibility for improving the deformations of several beams in a generators network.; Le développement des capteurs autonomes et leurs applications dans les « smart-cities », nécessitent de nouvelles méthodes de production d’énergie, basées sur la récupération de l’énergie ambiante. Dans ce contexte, le projet N-air-J a pour objectif de réaliser des micro-générateurs, basés sur des films piézoélectriques flexibles, capables de récupérer l’énergie des courants d’airs. Les travaux réalisés dans cette thèse concernent la réalisation des couches minces piézoélectriques de zircono-titanate de plomb (PZT) déposées sur une feuille d’aluminium, ainsi que les caractérisations structurales, diélectriques, ferroélectriques, et piézoélectriques associées. L’optimisation du générateur est basée sur un procédé de transfert original du PZT depuis l’aluminium vers un substrat polymère. L’intérêt du transfert vers un substrat souple et isolant est de pouvoir réaliser une configuration d’électrodes interdigitées (IDE). Les propriétés de récupération d’énergie des deux configurations PZT/Al et PZT/polymère ont été testées, et la densité d’énergie produite est similaire à l’état de l’art pour des structures plus rigides. L’utilisation d’électrodes IDE a prouvé son intérêt par la génération d’une tension de sortie de plusieurs dizaines de volt.Un modèle analytique a été développé afin d’étudier le comportement de la poutre piézoélectrique utilisée dans ces travaux. Les études expérimentales ont permis de quantifier l’influence des frottements de l’air sur le comportement vibratoire de la poutre. La simulation de l’interaction fluide structure a montré la possibilité d’augmenter les déformations de plusieurs brins au sein d’un réseau de générateurs.

Within the framework of this PhD we present the design and realization of a bench dedicated to the study of the reliability of piezoelectric structures and more precisely micro-devices of energy harvesting for the new generation of active and autonomous medical implants. The structures studied are in the form of a free-clamped piezoelectric bimorph having a seismic mass at their tip. A good understanding of the aging of the materials and of the mechanical and electrical failure modes is essential for this type of system where the life of the patient implanted by this device is directly involved. To study the reliability and durability of the active part of the harvester, we propose to establish a new accelerated aging methodology via a dedicated test bench where the environment and stimuli can be controlled accurately over a large period of time. An electromechanical characterization of the structures is periodically carried out by the extraction of a series of indicators (blocking force, stiffness, tension in harmonic regime) within the bench throughout the aging process. Therefore it is possible to identify the different potential failure modes and to study their impact on the proper functioning of the system.; Dans le cadre de cette thèse de doctorat, nous présentons la conception et la réalisation d’un banc dédié à l’étude de la fiabilité de structures piézoélectriques et plus précisément des micro-dispositifs de récupération d'énergie destinés aux implants médicaux autonomes actifs (stimulateurs cardiaques de nouvelle génération). Les structure étudiées se présentent sous la forme d’un bimorphe piézoélectrique encastré-libre comportant une masse sismique à leur extrémité. Une bonne compréhension du vieillissement des matériaux et des modes de défaillance mécanique et électrique est essentielle pour ce type de système où la vie du patient au sein duquel est implanté le dispositif est directement mise en jeu. Pour étudier la fiabilité et la durabilité de la partie active du récupérateur, nous proposons d'établir une nouvelle méthodologie de vieillissement accélérée via un banc d'essai dédié où l'environnement et les stimuli peuvent être contrôlés avec précision sur une large période de temps. Une caractérisation électromécanique des structures est périodiquement réalisée via l’extraction d’une série d’indicateurs (force de blocage, raideur, tension en régime harmonique) au sein même du banc tout au long du vieillissement. Il est donc ainsi possible d'identifier les différents modes de défaillance potentiels et d’étudier leurs impacts sur le bon fonctionnement du système.

International audience; — Les piles microbiennes sédimentaires (SMFCs) sont des systèmes récupérant l'énergie directement de la biomasse, ce qui en fait des candidates prometteuses pour l'alimentation autonome de capteurs marins. Au regard des puissances et des tensions générées par les SMFCs (100 µW à 0,3 V pour des électrodes de quelques cm²), une interface de récupération reste indispensable pour à la fois travailler au point de puissance maximum (MPP) de la pile et élever la tension à celle requise par le capteur à alimenter. Dans ce papier nous cherchons à optimiser un convertisseur flyback en mode de conduction discontinue pour une SMFC délivrant une puissance de 90 µW sous 0,3 V. En prenant appui sur d'anciens travaux dans lesquels un modèle du convertisseur avait été validé expérimentalement, nous proposons d'étudier l'influence du rapport cyclique sur les pertes du flyback. Le rendement maximal obtenu est de 68% pour un rapport cyclique de 0,5 en considérant une tension de sortie de 2 V.

This thesis contributes to the medical implants field, which is stimulated by many advances in the fields of microelectronics and microsensors. However, electrical energy lifespan of implants and large size of batteries are still a problem. Our work aims at pushing back these limits. It contributes to the development of a solution based on mechanical energy harvesting from the heart motion. The objective is to sustainably power a new generation of pacemakers without lead, so-called "leadless pacemakers."The studied energy harvesting microsystem consists in a spring-mass-type mechanical resonator associated with an electrostatic transducer. Its originality comes from a three-dimensional architecture, whose shape fits pretty well with the cylindrical shape of the pacemaker capsule. The use of the third dimension combined with an original design enables to get a pseudo multiplication frequency effect. Thanks to this effect, our simulation models predict power densities significantly higher than state-of-the-art figures reported in literature. To fabricate this three-dimensional microsystem, we have developed an additive manufacturing process based on steps of micro-molding of a structural material (electroplated nickel), electroplating of a sacrificial material (copper) and planarization. Identification of imperfections related to the fabrication process and the materials used allowed us to improve the design of the transducer. Moreover, many manufacturing obstacles were overcome during this thesis through the implementation of dedicated instrumentation. This new process has enabled us to fabricate a first three-dimensional prototype of the electrostatic micro-transducer made of 10 layers of nickel. Other electroplated metals can be envisaged to achieve three-dimensional microsystems, depending on the application requirements. In order to anticipate any compatibility issue of our microsystem with magnetic resonance imaging, we have developed the electrodeposition process of a nonmagnetic material: phosphorous doped nickel.; Cette thèse s’inscrit dans un contexte d’activité en forte croissance dans le domaine des implants médicaux, stimulée par de nombreux progrès dans le domaine des micro-capteurs et de la micro-électronique. L’autonomie en énergie des implants demeure cependant un facteur limitant. Notre travail a pour objectif de repousser les limites actuelles en termes de miniaturisation et de durée de vie. Il contribue au développement d’une solution basée sur la récupération d’énergie mécanique du cœur pour alimenter durablement un pacemaker miniaturisé sans sonde de nouvelle génération, dit « pacemaker leadless ».Le microsystème de récupération d’énergie étudié est composé d’un résonateur mécanique de type masse-ressort associé à un transducteur électrostatique. Il a pour particularité une architecture tridimensionnelle, dont la forme permet de profiter au maximum de l’espace disponible dans la capsule cylindrique du pacemaker. L'utilisation de la troisième dimension associée à un design original permet en outre d’obtenir un effet de pseudo multiplication de fréquence qui doit conduire, d’après les modèles que nous avons développés, à des densités de puissance nettement supérieures à celles présentées dans l'état de l'art. Pour réaliser ce microsystème tridimensionnel, nous avons développé un procédé de fabrication additif qui repose sur des étapes de micro moulage d'un matériaux structurel obtenu par croissance électrolytique (nickel), de croissance d'un matériau sacrificiel (cuivre) et de polissage. L’identification d’imperfections géométriques dues au procédé et aux matériaux utilisés nous a amené à améliorer la conception du transducteur. Par ailleurs, de nombreux verrous de fabrication ont été levés au cours de cette thèse grâce à la mise en œuvre d’une instrumentation dédiée. Ce procédé nous a permis de fabriquer un premier prototype tridimensionnel du micro-transducteur électrostatique composé de 10 couches de nickel. D’autres métaux élaborés par croissance électrolytique pourraient être envisagés pour réaliser des microsystèmes tridimensionnels, suivant les besoins de l’application considérée. Afin d’anticiper d’éventuels problèmes de compatibilité des micro-dispositifs avec l'imagerie par résonance magnétique, nous avons mis au point le procédé de croissance électrolytique d’un matériau non-magnétique à base de nickel dopé au phosphore.

The research work presented in this thesis provides solutions to help industrials to better design RFID readers and RFID tags that implement VHBR (Very High Bit Rate) protocols. Indeed, VHBR technology has a large drawback on the functionning of RFID tags as it lowers the energy available to supply the tag. First, this research work focuses on RFID reader design, and especially matching networks design. After describing a new way of assessing power transfer in Radio Frequency systems, it is shown that T matching networks as thoses proposed in ISO/IEC 10373-6 give the best results in terms of power transfer and signal integrity. Thus, a design method is proposed to correctly choose the three T matching network components that will optimize the power transfer and still meet the signal integrity requirements.Second, this thesis will focus on the design of RFID tags, by describing a new tag's antenna design method that optimize the energy harvested by the antenna and meanwhile reduce the power reflections between the antenna and the tag's chip. This design method is based on new explicit formula that compute a rectangular planar antenna inductance as a function of its geometric characteristics. This method showed very accurate results, and can become an interesting tool for industrials to speed up and optimize their antenna design procedure.Finally, a platform that measures RFID chip's impedance in every state of the chip has been designed, even during load modulation communication. The accuracy of this tool and its importance in order to achieve a good antenna design confer it a great usefulness., Dans le contexte de développement de produits sans-contact communiquant à très haut débit, dît systèmes VHBR (Very High Bit Rate), il s’avère que les cartes ou passeports VHBR, télé-alimentés à partir du lecteur qui communique avec eux, sont contraints de fonctionner avec une alimentation bien plus faible que les produits communiquant à des débits standards. Pour répondre à cette problématique de manque de puissance d’alimentation, il a été nécessaire de commencer par reprendre la théorie des lignes en l'orientant de manière à ce qu'elle permette de quantifier les transferts de puissance entre une source et une charge séparées par un média quelconque. Ensuite, ce nouveau moyen de quantification des transferts de puissance a été utilisé pour faire de l'aide à la conception des lecteurs VHBR. Ensuite, ce travail de recherche se concentre sur les cartes ou passeports VHBR. En effet, pour permettre à un tel système sans contact de fonctionner de manière télé-alimentée dans un environnement où la puissance disponible est réduite, il faut optimiser sa conception. Les solutions proposées ici consistent à déterminer la géométrie des antennes inductives qui optimisent la récupération d'énergie et le transfert de puissance vers la puce d'une carte VHBR. Ainsi, les travaux présentés dans ce manuscrit apportent des solutions globales à cette problématique de récupération d'énergie dans les objets connectés que sont les systèmes sans contact, en décrivant des méthodes de conception qui permettent d'une part de limiter les pertes de puissance au sein des lecteurs VHBR, et d'autre part d'optimiser la récupération d'énergie au sein des cartes VHBR.

Development of renewable energy can not only compensate for the lack of fossil energy in the future, but also save our planet by reducing CO2 emission pollution. Piezoelectric materials have the ability to convert environmental mechanical movements into electrical energy. In this thesis, two types of piezoelectric materials have been studied for energy harvesting: ZnO nanowires and PVDF-TrFE microfibers. The ultimate goal of this thesis is to realize the low cost energy harvesting devices for self-powered sensors.Over the past decade, ZnO nanowires had attracted a great interest in the research field due to their multifunctionality with a great potential in the various applications (energy harvesting by piezoelectric and photovoltaic effect, bio & chemical sensors, water & air purification by photocatalytic effect ...). PVDF-TrFE is also an attractive polymer in energy harvesting due to its piezoelectric properties, high mechanical flexibility, and also for its low cost.In this work, two synthesis methods have been used to obtain the piezoelectric micro- & nanomaterials: Hydrothermal for the ZnO nanowire arrays and Electrospinning for the PVDF-TrFE microfibers. The synthesis conditions have been optimized in order to obtain the suitable samples for the applications. Then, two types of energy harvesting devices were manufactured. First, we realized the microgenerators (MGs) based on the PVDF-TrFE microfibers deposited on the Kapton substrate. These flexible MGs based on the direct piezoelectric effect allowing the conversion of mechanical energy into electrical energy at low frequency of the order of hertz. The second type of nanogenerators (NGs) is based on ZnO nanowire array on the silicon substrate. The energy harvesting tests were carried out in a frequency range of a few hundred hertz for the aeronautical application, Le développement des énergies renouvelables peut non seulement compenser le manque d'énergie fossile à l'avenir, mais aussi sauver notre planète en réduisant la pollution par les émissions de CO2. Les matériaux piézoélectriques ont la capacité de convertir les mouvements mécaniques environnementaux en énergie électrique. Dans le cadre de cette thèse, deux types de matériaux piézoélectriques ont été étudiés pour la récupération d’énergie : les nanofils de ZnO et les microfibres de PVDF-TrFE. L’objectif ultime de cette thèse est de réaliser les dispositifs de la récupération d’énergie à faible coût pour rendre les capteurs autonomes.Au cours de la dernière décennie, les nanofils de ZnO ont suscité un grand intérêt dans le domaine de la recherche en raison de leurs multifonctionnalités avec un grand potentiel d’applications dans les différents domaines (récupération d’énergie par effet piézoélectrique et photovoltaïque, capteurs biologiques & chimiques, dépollution de l’eau & de l’air par effet photocatalytique, …). Le PVDF-TrFE est un polymère attrayant dans les applications de la récupération d'énergie en raison de ses propriétés piézoélectriques, son faible coût et sa grande flexibilité mécanique.Dans ce travail, deux méthodes de synthèse ont été employées pour obtenir les micro- & nanomatériaux piézoélectriques : Hydrothermale pour les réseaux verticaux des nanofils de ZnO et Electrospinning pour les microfibres de PVDF-TrFE. Les conditions de synthèse ont été optimisées afin d’obtenir les échantillons adéquats aux applications envisagées. Ensuite, deux types de dispositifs de la récupération d’énergie ont été fabriqués. Dans un premier temps, nous avons conçu des microgénérateurs (MGs) à base des microfibres de PVDF-TrFE déposées sur le substrat Kapton. Ces MGs flexibles basés sur l’effet piézoélectrique direct permettant la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique à basse fréquence de l’ordre d’hertz. Le second type de nanogénérateurs (NGs) est basé sur des nanofils verticaux de ZnO sur le substrat en silicium. Les tests de la récupération d’énergie ont été réalisés dans une gamme de fréquences de quelques centaines d’hertz pour l’application aéronautique

This experimental thesis focuses on the energy harvesting for micro-generators and au- tonomy of electronic devices with low consumption. This work proposes the possibilities of har- vesting thermal energy by pyroelectric effect. The thermal energy to be converted is thermal fluc- tuations. We proposed two main techniques to generate electricity by pyroelectric ceramic. The first one focuses on the harvesting of infrared radiation associated with the SSHI technique. Ori- ginally, the SSHI technique was developed in the case of the piezoelectric energy harvesting, but we applied it in the case of pyroelectricity and which allowed us to maximize the harvested power by a factor of 2. The second proposed technique concerns the harvesting of thermal fluctuations resulting from convective movements originating inside a fluid in the Rayleigh-Bernard configu- ration. We have carried out several studies to increase the convective transfer in order to improve the pyroelectricresponse and maximize the harvested power. In the case of natural convection, the choice of a suitable fluid and the optimization of the control parameters of the Rayleigh-Bernard configuration are essential steps in order to achieve better heat transfer by convection. In the case of forced convection, it has been studied the advantage of dispersing copper nanoparticles in a pure fluid to increase the convective transfer. With this nanofluid, the pyroelectric response was maximized by a factor of 10., Cette thèse, de nature expérimentale, rentre dans le cadre de la récupération d’énergie pour les micro-générateurs et l’autonomie des dispositifs électroniques à faible consommation. Ce travail propose les possibilités de récupérer de l’énergie thermique par effet pyroélectrique. L’éner- gie thermique à convertir est une variation temporelle de température. Nous avons proposé deux principales techniques pour produire de l’énergie électrique via une céramique pyroélectrique de type PZT. La première est centrée sur la récupération des radiations infrarouges associé à la tech- nique SSHI. Originellement, la technique SSHI a été développée dans le cas de la récupération d’énergie piézoélectrique, mais nous l’avons appliqué dans le cas de la pyroélectricité et qui nous a permis de maximiser la puissance récupérée d’un facteur de 2. La seconde technique proposée concerne la récupération des fluctuations thermiques provenant des mouvements convectifs nais- sant à l’intérieur d’un fluide dans la configuration de Rayleigh-Bénard. Nous avons mené plusieurs études pour augmenter le transfert convectif dans le but d’améliorer la réponse pyroélectrique et donc maximiser la puissance récupérée. Dans le cas des convections naturelles, le choix de fluide adéquat et l’optimisation des paramètres de contrôle de la configuration Rayleigh-Bénard consti- tuent des étapes primordiales pour aboutir à un meilleur transfert thermique par convection. Dans le cas des convections forcée, il a été étudié l’intérêt de disperser des particules de Cuivre de taille nanométrique dans un fluide porteur pour augmenter plus davantage le transfert convectif. Avec ce nanofluide, la réponse pyroélectrique a été maximisée d’un facteur de 10.

The main topics of this thesis are the dynamics of a chain of magnetsand the energy harvesting application of this type of system. A chain of cylindrical magnets diametrically magnetized submitted to gravity and an external magnetic field was first studied. Two linear models were developed to describe its dynamics : a discrete model using lagrangian approach and a continuous model considering the chain as a continuous beam. The results of these models were compared to experiments. The stability of the system was then determined numerically. After this rst study, we proposed an application to use this type of discrete system to harvest energy. An articulated flag composed with very thin rectangular magnets magnetized through the thickness was designed. This flag was placed in a water flow and a coil was fixed nearby to convert the fluttering flag's movement into an electric potential. The electromotive force (emf) induced was estimated numerically and measured experimentally. We exploited then the numerical calculation of emf to seek the geometry and position of the coil maximizing the energy harvesting potential., L'étude de la dynamique d'une chaîne d'aimants et l'application de ce type de système à la récupération d'énergie sont les objets de la thèse. Une chaîne d'aimants cylindriques aimantés selon le diamètre et soumise à la gravité et à un champ magnétique extérieur a d'abord été etudiée. Deux modèles linéaires décrivant la dynamique de la chaîne ont été développés : un modèle discret basée sur l'approche lagrangienne et un modèle continu en la considérant comme une poutre continue. Les prédictions des modèles ont été comparées aux expériences. La stabilité du système en fonction de la gravité et du champ magnétique a été ensuite caractérisée numériquement. Après cette première étude, nous avons proposé une utilisation de ce type de système à la récupération d'énergie. Un drapeau articulé constitué d'aimants rectangulaires très fins et aimantés selon l'épaisseur a été conçu. Ce drapeau a été placé dans un écoulement d'eau et une bobine a été positionnée dans l'environnement pour convertir le mouvement dudrapeau en flottement en une force électromotrice (f.e.m). Cette dernière a été à la fois estimée numériquement et mesurée expérimentalement. Nous avons ensuite exploité le calcul numérique de la f.e.m pour chercher les géométries et les positions de la bobine maximisant le potentiel de récupération d'énergie.

Recent advances in the field of organic MEMS have generated interest in the substitution of inorganic microbeams by organic ones for various applications. Until now, the use of electrostrictive materials is limited to the MEMS operating mostly in static mode. The electrostrictive response of organic MEMS is presented here for the first time in dynamic mode. One of the originality of this work is to produce a micro-mechanical energy harvester fabricated in an all-organic approach. In this thesis, strain sensitive nanocomposite materials based on reduced graphene oxide (rGO) dispersed in polydimethylsiloxane (PDMS) are used for mechanical vibratory energy harvesting with an electrostrictive transducer. With an acceleration of 1 g of the microcantilever base, actuation at the first resonant mode (≈ 17 Hz) generates an electrical power density of 8.15 μW/cm3., Les récents progrès dans le domaine des MEMS organiques suscitent un intérêt croissant dans la substitution de micropoutres inorganiques par des micropoutres organiques pour diverses applications. N’ayant été étudiée qu’en mode statique, la réponse électrostrictive des MEMS organiques est présentée pour la première fois en mode dynamique. L’une des originalités de ce travail est de fabriquer un micro-récupérateur d’énergie mécanique avec une approche « tout-organique ». Dans cette thèse, des matériaux nanocomposites à base d’oxyde de graphène réduit (rGO) dispersé dans du poly-dimethyl siloxane (PDMS), sont utilisés pour la récupération de l'énergie mécanique vibratoire avec une transduction électrostrictive. Le dispositif génère une densité de puissance électrique de 8,15 W/cm3 pour une accélération de 1 g au premier mode de résonance (≈ 17 Hz).

The development of energy harvesting systems is linked to the emergence of the Internet of Things (IoT) more specifically to the proliferation of Wireless Sensor Networks that should respond to the growing needs for monitoring data in domains as diverse as the industry, the urban environments, the home or even the human body. Recent progress in the CMOS technology have enabled to remove some of the technical obstacles to the deployment of these smart and autonomous devices, specifically thanks to the improvements of the performances of microelectronic components, the design of ultra-low-power circuits and even the creation of wireless communication standards well adapted to the needs of wireless sensors. Given the availability of ambient energy sources like mechanical, thermal, light etc., energy harvesters are becoming reliable alternatives to batteries in order to extend the autonomy of these sensors. Consequently, various technologies of generators have been developed to harvest different kind of energies in function of their availability. The present work is a contribution to the development of a thermal energy harvester based on bimetallic strips heat engine and piezoelectric membranes. This type of technology developed by STMicroelectronics is intended to be a low cost alternative to thermoelectric generators exploiting the seebeck effect to convert heat into electricity. Based on this working principle, many harvesters both at the micro and macro scale have been fabricated. This thesis deals with the development of macroscopic energy harvesters whose first proofs of concept were established in a previous thesis. An important part of this manuscript deals with the thermal optimization of this energy harvester both in static and dynamic modes. Once the thermal properties improved, various piezoelectric materials were tested and compared to find the most adapted ones to our application and the same work is realized to choose the best device’s architecture. The integration of the energy harvester is then realized and wireless sensor node applications are demonstrated using various communication protocols and sensors. SPICE modeling of the system is also made and coupled with simulations of power management circuits developed by CEA’s design team. Finally, alternative ways to exploit wasted heat and vibrations are proposed through the development of piezoelectric bimetals and dual energy harvesters able to harvest thermal energy and mechanical energy at the same time: piezoelectric bimetals are realized either by direct deposition of piezoelectric composites or piezoelectric thin films onto bimetals. In the case of the dual energy harvester, piezoelectric cantilever beams were designed and simulated to vibrate at low frequencies (between 50Hz and 125Hz).; Le développement des systèmes de récupération d'énergie est liée à l'émergence des applications de type Internet des objets (IoT) plus spécifiquement à la prolifération des réseaux de capteurs autonomes. 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 développement de ces réseaux de capteurs intelligents et autonomes, notamment grâce à 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 adaptés à ces contraintes énergétiques. Etant donné l’ubiquité des sources d’énergie, la fabrication de générateurs permettant d’alimenter directement ces capteurs et les rendre autonomes en énergie 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 proposées pour s’adapter aux différentes formes que peut prendre l’énergie, qu’elle soit d’origine thermique, mécanique ou solaire. Le présent travail est une contribution à l'élaboration d’un récupérateur d’énergie thermique à base de bilames thermiques et de matériaux piézoélectriques. Ce type de générateurs, proposé et développé au sein de STMicroelectronics à Crolles, se veut être une alternative fiable et bas coût à l’utilisation de matériaux thermoélectriques exploitant l’effet Seebeck pour générer de l’énergie électrique. Des preuves de concept de tels systèmes ont déjà été développées aussi bien à macro-échelle qu’a micro-échelle. Ce travail s’inscrit dans la continuité du développement d’un récupérateur d’énergie macroscopique reposant sur ce principe-là. L’objectif de cette thèse est dans un premier temps d’optimiser cette structure pour atteindre des niveaux de puissances plus élevés que la première preuve de concept puis dans un second temps, de réaliser son intégration afin d’effectuer des démonstrations de capteur autonome et confirmer la viabilité de la technologie développée pour de telles applications.

The development of energy harvesting systems is linked to the emergence of the Internet of Things (IoT) more specifically to the proliferation of Wireless Sensor Networks that should respond to the growing needs for monitoring data in domains as diverse as the industry, the urban environments, the home or even the human body. Recent progress in the CMOS technology have enabled to remove some of the technical obstacles to the deployment of these smart and autonomous devices, specifically thanks to the improvements of the performances of microelectronic components, the design of ultra-low-power circuits and even the creation of wireless communication standards well adapted to the needs of wireless sensors. Given the availability of ambient energy sources like mechanical, thermal, light etc., energy harvesters are becoming reliable alternatives to batteries in order to extend the autonomy of these sensors. Consequently, various technologies of generators have been developed to harvest different kind of energies in function of their availability. The present work is a contribution to the development of a thermal energy harvester based on bimetallic strips heat engine and piezoelectric membranes. This type of technology developed by STMicroelectronics is intended to be a low cost alternative to thermoelectric generators exploiting the seebeck effect to convert heat into electricity. Based on this working principle, many harvesters both at the micro and macro scale have been fabricated. This thesis deals with the development of macroscopic energy harvesters whose first proofs of concept were established in a previous thesis. An important part of this manuscript deals with the thermal optimization of this energy harvester both in static and dynamic modes. Once the thermal properties improved, various piezoelectric materials were tested and compared to find the most adapted ones to our application and the same work is realized to choose the best device’s architecture. The integration of the energy harvester is then realized and wireless sensor node applications are demonstrated using various communication protocols and sensors. SPICE modeling of the system is also made and coupled with simulations of power management circuits developed by CEA’s design team. Finally, alternative ways to exploit wasted heat and vibrations are proposed through the development of piezoelectric bimetals and dual energy harvesters able to harvest thermal energy and mechanical energy at the same time: piezoelectric bimetals are realized either by direct deposition of piezoelectric composites or piezoelectric thin films onto bimetals. In the case of the dual energy harvester, piezoelectric cantilever beams were designed and simulated to vibrate at low frequencies (between 50Hz and 125Hz)., Le développement des systèmes de récupération d'énergie est liée à l'émergence des applications de type Internet des objets (IoT) plus spécifiquement à la prolifération des réseaux de capteurs autonomes. 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 développement de ces réseaux de capteurs intelligents et autonomes, notamment grâce à 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 adaptés à ces contraintes énergétiques. Etant donné l’ubiquité des sources d’énergie, la fabrication de générateurs permettant d’alimenter directement ces capteurs et les rendre autonomes en énergie 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 proposées pour s’adapter aux différentes formes que peut prendre l’énergie, qu’elle soit d’origine thermique, mécanique ou solaire. Le présent travail est une contribution à l'élaboration d’un récupérateur d’énergie thermique à base de bilames thermiques et de matériaux piézoélectriques. Ce type de générateurs, proposé et développé au sein de STMicroelectronics à Crolles, se veut être une alternative fiable et bas coût à l’utilisation de matériaux thermoélectriques exploitant l’effet Seebeck pour générer de l’énergie électrique. Des preuves de concept de tels systèmes ont déjà été développées aussi bien à macro-échelle qu’a micro-échelle. Ce travail s’inscrit dans la continuité du développement d’un récupérateur d’énergie macroscopique reposant sur ce principe-là. L’objectif de cette thèse est dans un premier temps d’optimiser cette structure pour atteindre des niveaux de puissances plus élevés que la première preuve de concept puis dans un second temps, de réaliser son intégration afin d’effectuer des démonstrations de capteur autonome et confirmer la viabilité de la technologie développée pour de telles applications.

Les avancées, plus ou moins récentes, dans le domaine des matériaux et dispositifs de conversion d’énergie à petite échelle ont permis un essor formidable des “systèmes et matériaux intelligents” ( smart materials and systems), notamment dans les communautés académiques et scientifiques. Cependant, la compréhension des phénomènes mis en jeux dans ces matériaux, ainsi que leur utilisation dans des applications réalistes suscitent toujours un grand nombre de questionnements. D’un point de vue purement scientifique, appréhender les phénomènes physiques permettant le lien entre un domaine physique et le domaine électrique permet de dégager des possibilités d’amélioration de la conversion, voire même de percevoir de nouvelles thématiques de recherche. D’un point de vue industriel, démontrer les capacités de ces matériaux dans différents domaines est hautement nécessaire afin d’assurer un transfert et une utilité technologiques couronnés de succès, permettant de ne pas rendre stérile des années d’efforts scientifiques. Dès lors, il convient concernant ce type de matériaux et systèmes d’assurer une synergie entre recherche scientifique appliquée et problèmes industriels, en dégageant de grands questionnements scientifiques de ces derniers afin de faire à la fois avancer les connaissances scientifiques et en faire émerger de nouveaux concepts, et d’assurer que ces recherches ne soient pas vaines et servent le bien-être général. C’est dans ce cadre que s’inscrivent mes travaux entrepris en tant que Maître de Conférences à l’Institut National des Sciences Appliquées de l’INSA de Lyon (INSA Lyon), et plus particulièrement dans le Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité (LGEF) pour l’aspect recherche, et au Département de Génie Electrique (GE) pour la partie enseignement. Les travaux exposés ici, couvrant la conversion électromécanique (notamment via les éléments piézoélectriques et électrostrictifs), ainsi qu’électrothermique (dans une moindre mesure cependant), se proposent d’offrir une vision relativement générale, allant du matériau et sa modélisation au système global, avec des applications à la récupération d’énergie et au contrôle vibratoire.

This work deals with energy harvesting and storage to power aircraft embedded wireless sensors. First, we discuss the issue of powering wireless sensors in an aircraft and we present a state of the art of the various energy harvesting and storage technologies that could be used. Then, through the design and construction of two harvesters, we show the possibilities offered by this technology and we explain the design constraints imposed by the application to get a reliable and robust power supply. The first harvester is a photovoltaic power supply located on the upper surface of an A321’s wing supplying a wireless sensors belt nearby. The systems provides 2 watts to the load, works with cloudy weather and is highly resistant to negative temperature (-50°C) and low pressure (200hPa) that are met at aircraft cruising altitude. The second harvester is a thermoelectric power supply located in an A380 pylon supplying a structural health monitoring system. The harvester is highly resistant to high temperature (300°C) and severe vibrations of the installation area and manages to generate the required energy to supply the structural health monitoring sensors. Mechanical and electronic design steps and choices that led to both harvesters are detailed and discussed.; Ces travaux portent sur la récupération et le stockage d’énergie pour l’alimentation de capteurs sans fil dans un contexte aéronautique. Dans un premier temps, nous présentons la problématique particulière de l’alimentation des capteurs sans fil dans un tel domaine et dressons un état de l’art des différentes technologies de stockage et de récupération pouvant répondre à ce besoin. Dans un deuxième temps, à travers l’étude et la réalisation de deux récupérateurs, nous montrons les possibilités qu’apporte cette technologie et détaillons les contraintes de conception qu’impose le milieu afin d’obtenir une alimentation robuste et fiable. Le premier récupérateur présenté est une alimentation photovoltaïque située sur l’extrados de l’aile d’un A321 alimentant des bandes de capteurs sans fil proches. Le système fournit 2 watts, fonctionne par temps couvert et résiste aux températures fortement négatives (-50°C) et aux basses pressions (200hPa) qui sont rencontrées à l’altitude de croisière de cet appareil. Le deuxième récupérateur est une alimentation thermoélectrique placée dans le mât réacteur d’un A380 pour alimenter un système de capteurs dédié à la surveillance de l’état de structure. Le système résiste aux températures élevées (300°C) et aux importantes vibrations de la zone d’installation et produit l’énergie nécessaire à l’alimentation du système de capteurs. Les choix et les étapes de conception ayant menés aux deux systèmes sont détaillés, tant au niveau de l’assemblage mécanique que des circuits électroniques.

This work deals with energy harvesting and storage to power aircraft embedded wireless sensors. First, we discuss the issue of powering wireless sensors in an aircraft and we present a state of the art of the various energy harvesting and storage technologies that could be used. Then, through the design and construction of two harvesters, we show the possibilities offered by this technology and we explain the design constraints imposed by the application to get a reliable and robust power supply. The first harvester is a photovoltaic power supply located on the upper surface of an A321’s wing supplying a wireless sensors belt nearby. The systems provides 2 watts to the load, works with cloudy weather and is highly resistant to negative temperature (-50°C) and low pressure (200hPa) that are met at aircraft cruising altitude. The second harvester is a thermoelectric power supply located in an A380 pylon supplying a structural health monitoring system. The harvester is highly resistant to high temperature (300°C) and severe vibrations of the installation area and manages to generate the required energy to supply the structural health monitoring sensors. Mechanical and electronic design steps and choices that led to both harvesters are detailed and discussed.; Ces travaux portent sur la récupération et le stockage d’énergie pour l’alimentation de capteurs sans fil dans un contexte aéronautique. Dans un premier temps, nous présentons la problématique particulière de l’alimentation des capteurs sans fil dans un tel domaine et dressons un état de l’art des différentes technologies de stockage et de récupération pouvant répondre à ce besoin. Dans un deuxième temps, à travers l’étude et la réalisation de deux récupérateurs, nous montrons les possibilités qu’apporte cette technologie et détaillons les contraintes de conception qu’impose le milieu afin d’obtenir une alimentation robuste et fiable. Le premier récupérateur présenté est une alimentation photovoltaïque située sur l’extrados de l’aile d’un A321 alimentant des bandes de capteurs sans fil proches. Le système fournit 2 watts, fonctionne par temps couvert et résiste aux températures fortement négatives (-50°C) et aux basses pressions (200hPa) qui sont rencontrées à l’altitude de croisière de cet appareil. Le deuxième récupérateur est une alimentation thermoélectrique placée dans le mât réacteur d’un A380 pour alimenter un système de capteurs dédié à la surveillance de l’état de structure. Le système résiste aux températures élevées (300°C) et aux importantes vibrations de la zone d’installation et produit l’énergie nécessaire à l’alimentation du système de capteurs. Les choix et les étapes de conception ayant menés aux deux systèmes sont détaillés, tant au niveau de l’assemblage mécanique que des circuits électroniques.

Dielectric polymers have seen their importance grow in the field of electroactive materials because of their undeniable advantages, particularly for potential applications such as energy harvesting, actuation or sensors. The work done in this thesis is exploratory and aims primarily to provide on one hand a new piezoelectric-polymer hybrid approach for the development of energy harvesting systems and secondly to develop operating methods shape control of structures using electroactive polymers. The use of dielectric polymers in energy harvesting devices reconciles a high energy density with low rigidity and simplicity of integration. The main problem which is characteristic of such devices is that they necessarily require the use of an external bias high voltage supply (> 1kV) to achieve significant energy densities. The hybrid approach proposed in the context of this work eliminates this source of external energy by using a piezoelectric device capable of generating, under the action of a mechanical stress, the electric field required to operate the device. The problem of optimization of energy transfer between any two systems was also studied. The work was then directed towards the investigation of the feasibility of the piezo-polymer hybrid approach. Various configurations have been proposed and evaluated in order to deduce their optimal parameters. The performance of hybrid devices was experimentally evaluated and compared with that obtained with simple piezoelectric or electrostatic (using polymers) systems. The second part of this work focuses on the use of electroactive materials as actuators for shape control of thin structures. The final application aimed here is the development of an active skin type material allowing reconfiguration of orbiting satellite antennas. Different types of polymers were first tested and their performance has been compared with the theoretical models developed specifically in this context. Original structures have been proposed to solve some problems related to the actuation using dielectric polymers. Simple prototypes have validated the principle of the structural shape control. If their use brings undeniable advantages over conventional operating techniques, the fact remains that certain specific characteristics of electroactive polymers limit their performance. For example, the square law characteristic of the electroactive polymer control requires the use of particular geometries in order to obtain a symmetrical two-way displacement. This fact complicates the control of such actuators but allows in the end to add new features. Thus the use of a sectored network of polymer actuator is required to obtain a symmetrical movement on a single type of structure blocked blocked-beam, but allows to consider different deformation profiles. Other similar problems have been addressed using different original structures., Ces travaux de thèse se veulent exploratoires et visent à proposer d’une part une nouvelle approche hybride piézoélectrique-polymère pour le développement de récupérateur d’énergie et d’autre part à développer des méthodes d’actionnement destinée au contrôle de forme structurelle. L’utilisation de polymères diélectriques dans les dispositifs de récupération d’énergie permet de concilier une densité énergétique élevée avec une faible rigidité et une simplicité de mise en œuvre. L’approche hybride proposée dans le cadre de ces travaux permet de s’affranchir de la source de polarisation externe en la substituant par un dispositif piézoélectrique apte à générer, sous l’action d’une contrainte mécanique, le champ électrique nécessaire au fonctionnement du dispositif. L’optimisation du transfert d’énergie entre deux systèmes supposé quelconque a d’abord été généralisée. Les travaux ont ensuite été orientés vers l’investigation de la faisabilité de l’approche hybride piezo-polymère. Les performances des dispositifs hybrides ont été évaluées expérimentalement et comparées à celles obtenues avec des récupérateurs piézoélectriques simples et avec des récupérateurs polymères à polarisation externe. Il est montré que l’utilisation d’un dispositif hybride permet de concilier les qualités des deux approches simples, à savoir la faculté d’initier le processus de conversion d’énergie grâce au champ électrique généré par l’élément piézoélectrique et d’exploiter la haute densité d’énergie des polymères. La deuxième partie de ces travaux porte sur l’utilisation de matériaux électroactifs comme dispositifs d’actionnement destinés au contrôle de forme de structures minces. L’application finale visée ici est le développement de matériau de type peau active. Différents types de polymères ont d’abord été testés et leur performances ont été comparées avec des modèles théoriques spécifiquement développés. Des structures originales ont été proposées pour solutionner certains problèmes liés à l’actionnement par polymères diélectriques. Des prototypes simples ont permis de valider le principe du contrôle de forme des structures à l’aide de polymères diélectriques.

In recent years, the decrease of electronic components consumption has led to the development of wireless devices. An interesting application concerns Internet of Things (IoT) and Wireless Sensor Networks (WSNs). Sensors are used in various scenarios such as intelligent monitoring systems for office, home automation, medical or military applications. Today these sensors are powered by batteries. Despite significant progress, batteries still have a limited lifetime and their replacement is often complicated. This explains the motivation to find alternative ways to power these objects. A promising method consists in harvesting energy from the ambient environment of the sensor nodes. For instance, thermal gradients, mechanical vibrations, light or electromagnetic waves could serve such a purpose. This thesis has been funded by PRACOM and has been held in this context. The thesis aim is to contribute to the development of innovative solutions to design self-powered sensor networks particularly by exploiting the energy of Radio Frequency (RF) waves. These sensors are located in ambient environment, i.e. an environment for which the RF power densities are not controlled and generally low. First of all, different sources and energy harvesting techniques have been investigated. This study helps to position the RF energy harvesting to other systems such as the mechanical, thermal, chemical, photovoltaic energy. After having demonstrated the added value of harvesting energy over a wide frequency band, a statistical study has been conducted to evaluate the RF power density in urban environment and countryside. The sensor environment involves choices for the chosen architecture, such as the addition of an energy storage cell or the use of a dc-dc converter. Several multi-band RF harvesters have been designed and tested in various environments. They show the feasibility of powering small sensors. The issue of autonomous sensors worn by the person is also addressed. The study highlights how the presence of the human body has an impact on RF harvester performance. Several solutions are proposed such as the improvement of the impedance matching network or the use of a high impedance surface.; Les réseaux de capteurs sans fil (WSN: Wireless Sensor Network), l'Internet des objets (IOT), profitent des progrès récents en terme de consommation énergétique pour concevoir des entités de contrôle intelligentes. Les batteries ou piles ont permis le développement de ces systèmes en les rendant autonomes. Néanmoins, cette méthode d'alimentation est inadaptée pour les applications modernes. Une solution alternative pour alimenter ces capteurs est d'utiliser l'énergie disponible dans leur environnement, comme par exemple les gradients thermiques, les vibrations mécaniques, ou encore les ondes lumineuses ou Radio-Fréquences. C'est dans ce contexte que s'est déroulé ce travail de thèse financé par PRACOM. Cette thèse propose de contribuer au developpement de solutions innovantes visant à rendre autonome en énergie un réseau de capteurs en exploitant notamment l'énergie des ondes Radio-Fréquences (RF). Ces capteurs sont placés en environnement ambiant, c'est-à-dire dans un environnement pour lequel les densités de puissances incidentes ne sont pas maîtrisées et sont généralement faibles. Tout d'abord différentes sources et techniques de récupération d'énergie ont été étudiées comme l'énergie mécanique, thermique, chimique et celle des ondes lumineuses et Radio-Fréquences. Cette étude a permis de positionner les systèmes de récupération d'énergie des ondes Radio Fréquences par rapport aux autres systèmes. Après avoir démontré l'intérêt de collecter l'énergie sur une large bande de fréquence, une étude statistique a été menée sur l'évaluation de la densité de puissance RF présente dans un environnement urbain et à la campagne. L'environnement du capteur implique des choix pour l'architecture choisie, comme par exemple l'ajout de cellule de stockage d'énergie ou encore l'utilisation d'un convertisseur dc-dc. Plusieurs récupérateurs d'énergie RF multibandes ont été conçus et testés dans divers environnements. Ceux-ci montrent la faisabilité d'alimenter des petits capteurs en extérieur. La problématique des capteurs autonomes en énergie portés par la personne est également abordée. Il s'agit de voir comment la présence du corps humain a un retentissement sur les performances du système de récupération d'énergie RF. Plusieurs solutions sont proposées comme l'amélioration du réseau d'adaptation d'impédances du récupérateur d'énergie RF, ou encore l'utilisation d'une surface à hautes impédances.

In recent years, the decrease of electronic components consumption has led to the development of wireless devices. An interesting application concerns Internet of Things (IoT) and Wireless Sensor Networks (WSNs). Sensors are used in various scenarios such as intelligent monitoring systems for office, home automation, medical or military applications. Today these sensors are powered by batteries. Despite significant progress, batteries still have a limited lifetime and their replacement is often complicated. This explains the motivation to find alternative ways to power these objects. A promising method consists in harvesting energy from the ambient environment of the sensor nodes. For instance, thermal gradients, mechanical vibrations, light or electromagnetic waves could serve such a purpose. This thesis has been funded by PRACOM and has been held in this context. The thesis aim is to contribute to the development of innovative solutions to design self-powered sensor networks particularly by exploiting the energy of Radio Frequency (RF) waves. These sensors are located in ambient environment, i.e. an environment for which the RF power densities are not controlled and generally low. First of all, different sources and energy harvesting techniques have been investigated. This study helps to position the RF energy harvesting to other systems such as the mechanical, thermal, chemical, photovoltaic energy. After having demonstrated the added value of harvesting energy over a wide frequency band, a statistical study has been conducted to evaluate the RF power density in urban environment and countryside. The sensor environment involves choices for the chosen architecture, such as the addition of an energy storage cell or the use of a dc-dc converter. Several multi-band RF harvesters have been designed and tested in various environments. They show the feasibility of powering small sensors. The issue of autonomous sensors worn by the person is also addressed. The study highlights how the presence of the human body has an impact on RF harvester performance. Several solutions are proposed such as the improvement of the impedance matching network or the use of a high impedance surface., Les réseaux de capteurs sans fil (WSN: Wireless Sensor Network), l'Internet des objets (IOT), profitent des progrès récents en terme de consommation énergétique pour concevoir des entités de contrôle intelligentes. Les batteries ou piles ont permis le développement de ces systèmes en les rendant autonomes. Néanmoins, cette méthode d'alimentation est inadaptée pour les applications modernes. Une solution alternative pour alimenter ces capteurs est d'utiliser l'énergie disponible dans leur environnement, comme par exemple les gradients thermiques, les vibrations mécaniques, ou encore les ondes lumineuses ou Radio-Fréquences. C'est dans ce contexte que s'est déroulé ce travail de thèse financé par PRACOM. Cette thèse propose de contribuer au developpement de solutions innovantes visant à rendre autonome en énergie un réseau de capteurs en exploitant notamment l'énergie des ondes Radio-Fréquences (RF). Ces capteurs sont placés en environnement ambiant, c'est-à-dire dans un environnement pour lequel les densités de puissances incidentes ne sont pas maîtrisées et sont généralement faibles. Tout d'abord différentes sources et techniques de récupération d'énergie ont été étudiées comme l'énergie mécanique, thermique, chimique et celle des ondes lumineuses et Radio-Fréquences. Cette étude a permis de positionner les systèmes de récupération d'énergie des ondes Radio Fréquences par rapport aux autres systèmes. Après avoir démontré l'intérêt de collecter l'énergie sur une large bande de fréquence, une étude statistique a été menée sur l'évaluation de la densité de puissance RF présente dans un environnement urbain et à la campagne. L'environnement du capteur implique des choix pour l'architecture choisie, comme par exemple l'ajout de cellule de stockage d'énergie ou encore l'utilisation d'un convertisseur dc-dc. Plusieurs récupérateurs d'énergie RF multibandes ont été conçus et testés dans divers environnements. Ceux-ci montrent la faisabilité d'alimenter des petits capteurs en extérieur. La problématique des capteurs autonomes en énergie portés par la personne est également abordée. Il s'agit de voir comment la présence du corps humain a un retentissement sur les performances du système de récupération d'énergie RF. Plusieurs solutions sont proposées comme l'amélioration du réseau d'adaptation d'impédances du récupérateur d'énergie RF, ou encore l'utilisation d'une surface à hautes impédances.