La décroissance de la consommation électrique des dispositifs électroniques leur a permis une croissance sans précédent. Néanmoins, les éléments de stockage d’énergie (piles et batteries), bien qu’ayant initialement promus ce développement, sont devenus un frein à la prolifération des microsystèmes électroniques, de part leur durée de vie limitée ainsi que des considérations environnementales (recyclage). Pour palier à ce problème, la possibilité d’exploiter l’énergie de l’environnement immédiat du dispositif a été proposée et a fait l’objet de nombreuses recherches au cours des dernières années. En particulier, la récupération d’énergie mécanique exploitant l’effet piézoélectrique est l’une des pistes les plus étudiées actuellement pour la conception de microgénérateurs autonomes capables d’alimenter les dispositifs électroniques. Par ailleurs, dans ce domaine, il a été démontré qu’un traitement non-linéaire de la tension de sortie de l’élément actif permet d’améliorer les capacités de récupération de l’énergie vibratoire. L’une de ces approches, nommée «Synchronized Switch Harvesting on Inductor» (récupération par commutation synchronisée sur inductance) et consistant en une inversion de la tension de manière synchrone avec le déplacement, s’est montrée particulièrement efficace, pouvant augmenter la quantité d’énergie récupérée par un facteur supérieur à 10. Cette dernière conduit à un processus cumulatif qui augmente artificiellement la tension de sortie de l’élément piézoélectrique ainsi qu’à une réduction du déphasage entre tension et vitesse de déplacement ; ces deux effets conduisant à l’augmentation importante des capacités de conversion. Néanmoins, l’étude des microgénérateurs d’énergie s’est quasiment toujours faite en considérant une excitation sinusoïdale, ce qui correspond rarement à la réalité. Peu de travaux expérimentaux, et encore moins théoriques, ont été menés en considérant une excitation large bande ; ceci étant d’autant plus vrai pour les dispositifs incluant un élément non-linéaire. Ainsi l’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement des récupérateurs d’énergie piézoélectriques interfacés de manière non-linéaire. Pour ce faire, différentes approches seront envisagées, en considérant le processus de commutation comme un « auto-échantillonnage » du signal, ou en appliquant des théories d’analyse stochastique pour quantifier les performances du dispositif. Ainsi, plusieurs formes d’excitation appliquée au système pourront être analysées, permettant d’étudier la réponse du système sous des conditions plus réalistes. Toujours dans l’optique d’une implémentation réaliste, un autre objectif de cette thèse consistera à évaluer l’impact de la récupération d’énergie par couplage sismique sur la structure hôte, démontrant la nécessité d’envisager le système dans sa globalité afin de disposer de systèmes performants capables de convertir efficacement l’énergie vibratoire sous forme électrique pour un usage ultérieur. / A nonlinear interface consisting in a switching device has been proved to improve the piezoelectric harvester performance. Although existing works are usually done under single frequency excitation. practical cases are more likely broadband and random. In addition, the coupling effect due to the harvesting process is also an interesting issue to discuss. In terms of energy conversion process in seismic piezoelectric harvesters, mechanical interactions between host structure and harvester is an essential issue as well. The purpose of this work is to analysis seismic type piezoelectric harvesters from a practical perspective and to provide an optimal design of the latter. The broadband modeling based on the concepts of self-sampling and self-aliasing is described under broadband excitations for the nonlinear interface called "Periodic Switching Harvesting on Inductor" (PSHI). For this technique, the switching device is considered to be turned on at a fixed switching frequency. Then stochastic modeling is applied to have mathematical expressions that can describe broadband performance of the harvester with power spectral density (PSD) function of signals. As the switch is turned on at a given frequency, the modeling can be derived using cyclostationary theory. The effectiveness of stochastic modeling is validated with experimental measurements and time-domain iterative calculations, and the harvester performance under a band-limited noise excitation is discussed under bell-curved spectra excitations. An optimal switching frequency slightly less than twice the harvester resonant frequency is proved to have the optimal power output under the optimal resistive load. This switching frequency is however dependent on the electromechanical coupling factor of the harvester. Another part of this work discusses the interaction between the host structure and the harvester. The analysis is conducted with a Two-Degree-of-Freedom (TDOF) model. An energy conversion loop is therefore formed between the host structure and the harvester, within the harvester and the resistive load. The TDOF model is verified with Finite Element model and experimental work. An optimal mass ratio is proved to provide the maximal power output. The modeling is further applied to a practical self-powered Structural Health Monitoring system providing the best design of the harvester. A practical consideration of the broadband excitation is also introduced showing the effect of frequency detuning between the host structure and the harvester. Compared to constant force factor case, the harvester performance with a constant electromechanical coupling factor is surprisingly with very little decreases due to the mismatching of harvester and host structure resonant.

La récupération d'énergie par élément piézoélectrique est une technique prometteuse pour les futurs systèmes électroniques nomades autoalimentés. L'objet de ce travail est d’analyser des approches simples et agiles d’optimisation de la puissance produite par un générateur piézoélectrique. D'abord le problème de l’optimisation de l’impédance de charge d’un générateur piézoélectrique sismique est posé. Une analyse du schéma équivalent global de ce générateur a été menée sur la base du schéma de Mason. Il est démontré que la puissance extraite avec une charge complexe adaptée puisse être constante quelle que soit la fréquence et que de plus elle est égale à la puissance extraite avec la charge résistive adaptée du même système sans pertes. Il est montré toutefois que la sensibilité de cette adaptation à la valeur de la réactance de la charge la rend difficilement réaliste pour une application pratique. Une autre solution pour améliorer l’énergie extraite est de considérer un réseau de générateurs positionnés en différents endroits d’une structure. Des simulations sont proposées dans une configuration de récupération d’énergie de type directe sur une plaque encastrée. Les générateurs piézoélectriques, associés à la technique SSHI, ont été reliés selon différentes configurations. Les résultats attestent que l’énergie produite ne dépend pas de façon critique de la manière dont sont connectés les éléments. Toutefois l’utilisation d’un seul circuit SSHI pour l’ensemble du réseau dégrade l’énergie extraite du fait des interactions entre les trop nombreuses commutations. Enfin une nouvelle approche non-linéaire est étudiée qui permet l’optimisation de l’énergie extraite tout en gardant une grande simplicité et des possibilités d’auto alimentation. Cette technique appelée S3H pour « Synchronized Serial Switch Harvesting » n’utilise pas d’inductance et consiste en un simple interrupteur en série avec l’élément piézoélectrique. La puissance récupérée est le double de celle extraite par les méthodes conventionnelles et reste totalement invariante sur une large gamme de résistances de charge. / Piezoelectric energy harvesting is a promising technique for battery-less miniature electronic devices. The object of this work is to evaluate simple and robust approaches to optimize the extracted power. First, a lightweight equivalent circuit derived from the Mason equivalent circuit is proposed. It’s a comprehensive circuit, which is suitable for piezoelectric seismic energy harvester investigation and power optimization. The optimal charge impedance for both the resistive load and complex load are given and analyzed. When complex load type can be implemented, the power output is constant at any excitation frequency with constant acceleration excitation. This power output is exactly the maximum power that can be extracted with matched resistive load without losses. However, this wide bandwidth optimization is not practical due to the high sensitivity the reactive component mismatch. Another approach to improve power extraction is the capability to implement a network of piezoelectric generators harvesting on various frequency nodes and different locations on a host structure. Simulations are conducted in the case of direct harvesting on a planar structure excited by a force pulse. These distributed harvesters, equipped with nonlinear technique SSHI (Synchronized Switching Harvesting on Inductor) devices, were connected in parallel, series, independently and other complex forms. The comparison results showed that the energy output didn’t depend on the storage capacitor connection method. However, only one set of SSHI circuit for a whole distributed harvesters system degrades the energy scavenging capability due to switching conflict. Finally a novel non-linear approach is proposed to allow optimization of the extracted energy while keeping simplicity and standalone capability. This circuit named S3H for “ Synchronized Serial Switch Harvesting” does not rely on any inductor and is constructed with a simple switch. The power harvested is more than twice the conventional technique one on a wide band of resistive load.

This study focuses on utilizing an energy harvesting system in which a dedicated Radio Frequency (RF) power source transmits RF power via rebar in a reinforced concrete column. The RF power is received and decoupled by a receiver, and is then rectified, boosted, and stored as electrical energy in a supercapacitor, later to be used to make measurements, process data, and communicate to the source via rebar. Two design attempts are presented in this study: (a) one uses single line conduction at 2.4 GHz for RF power transfer; (b) the other uses a more conventional two-line conduction at 8.0 kHz for RF power transfer. Both designs were unsuccessful: (a) the 2.4 GHz attempt demonstrated that no detectable RF power propagated through the concrete medium; (b) the 8.0 kHz attempt demonstrated that too much of the RF power was attenuated through the concrete medium for the energy harvesting circuitry work properly. A potential third design approach is posited in the conclusion of this study. In addition to investigating power transfer designs, a study on the energy harvesting circuitry was performed. A Two-Stage Dickson Multiplier was utilized in conjunction with a Texas Instruments BQ25504 Ultra-Low Power Energy Harvesting Circuit. For these two components to function best, it was shown that the BQ25504’s input filtering capacitor needed to be on the same order of magnitude as the charging capacitors of the Two-Stage Dickson Multiplier, otherwise, if the filtering capacitor was comparatively too large, it would short the output of the Two-Stage Dickson Multiplier. With that said, the lowest power input observed was at 7.83 dBm, but with lower input powers expected to be achievable. Nevertheless, since the second design attempt showed power losses were too significant, it was deemed that at present, unless the power transfer design were improved, then contemporary commercial off the shelf energy harvesting approaches are insufficient.

The conventional Mini and Large scale Unmanned Aerial Vehicle systems span anywhere from approximately 12 inches to 12 feet; endowing them with larger propulsion systems, batteries/fuel-tanks, which in turn provide ample power reserves for long-endurance flights, powerful actuators, on-board avionics, wireless telemetry etc. The limitations thus imposed become apparent when shifting to Micro Aerial Vehicles (MAVs) and trying to equip them with equal or near-equal flight endurance, processing, sensing and communication capabilities, as their larger scale cousins. The conventional MAV as outlined by The Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) is a vehicle that can have a maximum dimension of 6 inches and weighs no more than 100 grams. Under these tight constraints, the footprint, weight and power reserves available to on-board avionics and actuators is drastically reduced; the flight time and payload capability of MAVs take a massive plummet in keeping with these stringent size constraints. However, the demand for micro flying robots is increasing rapidly. The applications that have emerged over the years for MAVs include search&rescue operations for trapped victims in natural disaster succumbed urban areas; search&reconnaissance in biological, radiation, natural disaster/hazard succumbed/prone areas; patrolling&securing home/office/building premises/urban areas. VTOL capable rotary and fixed wing flying vehicles do not scale down to micro sized levels, owing to the severe loss in aerodynamic efficiency associated with low Reynolds number physics on conventional airfoils; whereas, present state of the art in flapping wing designs lack in one or more of the minimum qualities required from an MAV: Appreciable flight time, appreciable payload capacity for on-board sensors/telemetry and 6DoF hovering/VTOL performance. This PhD. work is directed towards overcoming these limitations. Firstly, this PhD thesis presents the advent of a novel Quad-Wing MAV configuration (called the QV). The Four-Wing configuration is capable of performing all 6DoF flight maneuvers including VTOL. The thesis presents the design, conception, simulation study and finally hardware design/development of the MAV. Secondly, this PhD thesis proves and demonstrates significant improvement in on-board Energy-Harvesting resulting in increased flight times and payload capacities of the order of even 200%-400% and more. Thirdly, this PhD thesis defines a new actuation principle called, Fixed Frequency, Variable Amplitude (FiFVA). It is demonstrated that by the use of passive elastic members on wing joints, a further significant increase in energy efficiency and consequently reduction in input power requirements is observed. An actuation efficiency increase of over 100% in many cases is possible. The natural evolution of actuation development led to invention of two novel actuation systems to illustrate the FiFVA actuation principle and consequently show energy savings and flapping efficiency improvement. Lastly, but not in the least, the PhD thesis presents supplementary work in the design, development of two novel Micro Architecture and Control (MARC) avionics platforms (autopilots) for the application of demonstrating flight control and communication capability on-board the Four-Wing Flapping prototype. The design of a novel passive feathering mechanism aimed to improve lift/thrust performance of flapping motion is also presented.

L’alimentation en énergie des réseaux de capteurs miniaturisés pose une question fondamentale, dans la mesure où leur autonomie est un critère de qualité de plus en plus important pour l’utilisateur. C’est même une question cruciale lorsque ces réseaux visent à assurer une surveillance d’infrastructure (avionique, machines, bâtiments…) ou une surveillance médicale ou environnementale. Les matériaux piézoélectriques permettent d’exploiter l’énergie mécanique inutilisée présente en abondance dans l’environnement (vibrations, déformations liées à des mouvements ou à des flux d’air…). Ils peuvent ainsi contribuer à rendre ces capteurs autonomes en énergie. Sous la forme de nanofils (NF), les matériaux piézoélectriques offrent une sensibilité qui permet d’exploiter des sollicitations mécaniques très faibles. Ils sont également intégrables, éventuellement sur substrat souple.Dans cette thèse nous nous intéressons au potentiel des nanofils de matériaux semi-conducteurs piézoélectriques, tels que ZnO ou les composés III-V, pour la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique. Depuis peu, ceux-ci ont fait l’objet d’études relativement nombreuses, avec la réalisation de nanogénérateurs (NG) prometteurs. De nombreuses questions subsistent toutefois avec, par exemple, des contradictions notables entre prédictions théoriques et observations expérimentales.Notre objectif est d’approfondir la compréhension des mécanismes physiques qui définissent la réponse piézoélectrique des NF semi-conducteurs et des NG associés. Le travail expérimental s’appuie sur la fabrication de générateurs de type VING (Vertical Integrated Nano Generators) et sur leur caractérisation. Pour cela, un système de caractérisation électromécanique a été construit pour évaluer les performances des NG réalisés et les effets thermiques sous une force compressive contrôlée. Le module d’Young et les coefficients piézoélectriques effectifs de NF de GaN; GaAs et ZnO et de NF à structure cœur/coquille à base de ZnO ont été évalués également dans un microscope à force atomique (AFM). Les nanofils de ZnO sont obtenus par croissance chimique en milieu liquide sur des substrats rigides (Si) ou flexibles (inox) puis sont intégrés pour former un générateur. La conception du dispositif VING s’est appuyée sur des simulations négligeant l’influence des porteurs libres, comme dans la plupart des études publiées. Nous avons ensuite approfondi le travail théorique en simulant le couplage complet entre les effets mécaniques, piézoélectriques et semi-conducteurs, et en tenant compte cette fois des porteurs libres. La prise en compte du piégeage du niveau de Fermi en surface nous permet de réconcilier observations théoriques et expérimentales. Nous proposons notamment une explication au fait que des effets de taille apparaissent expérimentalement pour des diamètres au moins 10 fois plus grands que les valeurs prévues par simulation ab-initio ou au fait que la réponse du VING est dissymétrique selon que le substrat sur lequel il est intégré est en flexion convexe ou concave. / Energy autonomy in small sensors networks is one of the key quality parameter for end-users. It’s even critical when addressing applications in structures health monitoring (avionics, machines, building…), or in medical or environmental monitoring applications. Piezoelectric materials make it possible to exploit the otherwise wasted mechanical energy which is abundant in our environment (e. g. from vibrations, deformations related to movements or air fluxes). Thus, they can contribute to the energy autonomy of those small sensors. In the form of nanowires (NWs), piezoelectric materials offer a high sensibility allowing very small mechanical deformations to be exploited. They are also easy to integrate, even on flexible substrates.In this PhD thesis, we studied the potential of semiconducting piezoelectric NWs, of ZnO or III-V compounds, for the conversion from mechanical to electrical energy. An increasing number of publications have recently bloomed about these nanostructures and promising nanogenerators (NGs) have been reported. However, many questions are still open with, for instance, contradictions that remain between theoretical predictions and experimental observations.Our objective is to better understand the physical mechanisms which rule the piezoelectric response of semiconducting NWs and of the associated NGs. The experimental work was based on the fabrication of VING (Vertical Integrated Nano Generators) devices and their characterization. An electromechanical characterization set-up was built to evaluate the performance and thermal effects of the fabricated NGs under controlled compressive forces. Atomic Force Microscopy (AFM) was also used to evaluate the Young modulus and the effective piezoelectric coefficients of GaN, GaAs and ZnO NWs, as well as of ZnO-based core/shell NWs. Among them, ZnO NWs were grown using chemical bath deposition over rigid (Si) or flexible (stainless steel) substrates and further integrated to build VING piezoelectric generators. The VING design was based on simulations which neglected the effect of free carriers, as done in most publications to date. This theoretical work was further improved by considering the complete coupling between mechanical, piezoelectric and semiconducting effects, including free carriers. By taking into account the surface Fermi level pinning, we were able to reconcile theoretical and experimental observations. In particular, we propose an explanation to the fact that size effects are experimentally observed for NWs with diameters 10 times higher than expected from ab-initio simulations, or the fact that VING response is non-symmetrical according to whether the substrate on which it is integrated is actuated with a convex or concave bending.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This thesis aims to present the design and development of an Energy Harvesting (EH) circuit applied to wireless sensor networks (WSN), especially those that perform functions in lighting systems, such as monitoring or control. The primary function of an Energy Harvesting system is to convert, condition and manage energy from an available source in the environment, in order to power low power consumption devices, which usually would be fed by batteries. The most used energy sources in EH systems are solar, wind, electromagnetic waves, mechanical vibration and thermal differences. Thus Energy Harvesting is an alternative to increase the autonomy or even eliminate the use of batteries for portable, implanted or remote located devices. Initially, an analysis of the most appropriate energy sources to power wireless sensors networks is performed, taking into aspects such as energy density, advantages and disadvantages. Subsequently, the proposed EH circuit is developed and tested. One of the specific objectives is that the EH proposed circuit is capable to being adapted for different energy sources. The proposed circuit consists of two stages, the first is a pre-amplifier and rectifier based on Villard multiplier. The second stage consists of a low-power boost converter with a synthesized inductor. The circuit is able to operate with minimum input voltages about 0.3 V, reaching maximum output of 5 V and 100mW of power. / A presente dissertação tem por objetivo apresentar a concepção e o desenvolvimento de um circuito Energy Harvesting (EH) aplicado a redes de sensores sem fio, notadamente aquelas que desempenham funções relacionadas a sistemas de iluminação, como por exemplo, monitoramento ou controle. A função primordial de um sistema EH é obter, converter, condicionar e gerenciar energia proveniente de uma fonte disponível no meio ambiente, de modo que esta alimente dispositivos de baixo consumo que usualmente seriam alimentados através de pilhas ou baterias. As fontes de energia mais empregadas para sistemas EH são solar, eólica, ondas eletromagnéticas, diferenças térmicas e vibrações mecânicas. Desse modo, Energy Harvesting é uma alternativa para o aumento da autonomia ou mesmo da eliminação do uso de baterias para dispositivos portáteis, implantados, ou dispositvos que se encontram locais remotos. Inicialmente, uma análise das fontes de energia mais propícias para a alimentação de uma rede de sensores sem fio é realizada, tendo em vista aspectos como densidade de energia, vantagens e desvantagens. Posteriormente, a topologia de circuito EH proposta é desenvolvida e testada. Um dos objetivos específicos é que o circuito EH proposto possa ser adaptado para diferentes fontes de energia. O circuito proposto é composto por dois estágios, o primeiro, é um pré-amplificador e retificador, baseado no multiplicador de Villard. O segundo estágio é composto por um conversor Boost de baixa potência, cuja indutância é sintetizada por meio de um circuito do tipo Gyrator. O circuito é capaz de operar com tensões de entrada mínima de 0,3 V, atingindo saída máxima de 5 V e 100 mW de potência.

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

Le travail de cette thèse propose une nouvelle méthode de contrôle appelée SSDH (Synchronized Switch Damping and Harvesting) basée sur l’idée de redistribution de l’énergie récupérée pour réduire l’énergie vibratoire d’une structure. De nombreuses recherches ont concerné le contrôle de vibration des structures souples. L’utilisation de l’approche modale pour ce genre de structure présente de nombreux intérêts. Dans le cadre de cette thèse l’idée est de récupérer l’énergie des modes qui ne sont pas contrôlés de façon à améliorer l’effet d’amortissement des modes ciblés par le contrôle sur une même structure. Pour cela, sur la base de la technique semi-active de contrôle, un circuit de contrôle modal a été conçu pour être compatible, via un convertisseur, avec des techniques semi-active de récupération d’énergie qui ont elles même été adaptées en modal. Plusieurs variantes de la méthode SSDH ont été testées en simulation. De façon à estimer l’efficacité du concept, une application sur un modèle expérimental d’une smart structure simple est proposée. Actionneurs et capteurs utilisent des matériaux piézoélectriques qui présentent les effets directs et inverses utiles pour la récupération d’énergie et le contrôle vibratoire. Après optimisation des différents paramètres électromécaniques et électriques, les résultats des simulations menées sous excitations bisinusoidale ou en bruit blanc, montrent que la nouvelle méthode de contrôle autoalimentée SSDH est efficace et robuste. Elle améliore sensiblement l’amortissement produit par les techniques semi-actives modales de base (SSDI) grâce à l’utilisation de l’énergie modale récupérée. / In a context of embedded structures, the next challenge is to develop an efficient, energetically autonomous vibration control technique. Synchronized Switch Damping techniques (SSD) have been demonstrated interesting properties in vibration control with a low power consumption. For compliant or soft smart structures, modal control is a promising way as specific modes can be targetted. This Ph-D work examines a novel energy transfer concept and design of simultaneous energy harvesting and vibration control on the same host structure. The basic idea is that the structure is able to extract modal energy from the chosen modes, and utilize this harvested energy to suppress the target modes via modal control method. We propose here a new technique to enhance the classic SSD circuit due to energy harvesting and energy transfer. Our architecture called Modal Synchronized Switching Damping and Harvesting (Modal SSDH) is composed of a harvesting circuit (Synchronized Switch Harvesting on Inductor SSHI), a Buck-Boost converter and a vibration modal control circuit (SSD). Various alternatives of our SSDH techniques were proposed and simulated. A real smart structure is modeled and used as specific case to test the efficiency of our concept. Piezoelectric sensors and actuators are taken as active transducers, as they develop the direct and inverse effects useful for the energy harvesting and the vibration damping. Optimization are running out and the basic design factors are discussed in terms of energy transfer. Simulations, carried out under bi-harmonic and noise excitation, underline that our new SSDH concept is efficient and robust. Our technique improve the damping effect of semi-active method compared to classic SSD method thanks to the use of harvested modal energy.

Les progrès réalisés durant ces dernières années dans le domaine de la microélectronique et notamment vis-à-vis de l’augmentation exponentielle de la densité d’intégration des composants et des systèmes a participé activement à l’apparition et au développement de systèmes portables communicants de plus en plus performants et polyvalents. La R&D dans les technologies de stockage d’énergie n’a pas suivi cette tendance d’évolution très rapide ; ce qui constitue un handicap majeur dans les évolutions futures des systèmes portables. La transmission d’énergie sans fils sur des distances considérables (plusieurs dizaines de mètres) grâce aux microondes constitue une solution très prometteuse pour pallier aux problèmes d’autonomie dans le cas des systèmes sans fils communicants. De plus, du fait de l’omniprésence des ondes électromagnétiques dans notre environnement avec des niveaux plus ou moins importants, la récupération et l’exploitation de cette énergie libre est également possible. La rectenna (Rectifying Antenna) est le dispositif permettant de capter et de convertir une onde électromagnétique en une tension continue. Plusieurs travaux de thèse axés sur l’étude et l’optimisation de la rectenna ont été réalisés au sein du laboratoire. Ces travaux avaient montré que pour des faibles niveaux de champs les tensions délivrées par la rectenna sont généralement très faibles et inexploitables. Aussi, comme la majorité des micro-sources d’énergie et à cause de son impédance interne, les performances de la rectenna dépendent fortement de sa charge de sortie. Ainsi, le développement d’un système d’interfaçage de la rectenna est nécessaire afin de pallier ces manquements inhérents du convertisseur RF/DC. Ce genre de système d’interfaçage est généralement absent dans la littérature à cause des faibles niveaux de puissance exploités. Par conséquent, la rectenna est très souvent utilisée tel quelle ; ce qui limite fortement le champ applicatif. Dans ce projet de recherche, un système de gestion énergétique de la rectenna complètement autonome a été conçu, développé et optimisé afin de garantir les performances optimales de la rectenna quelques soient les fluctuations de la puissance d’entrée et celles de la charge de sortie. Le circuit d’interfaçage permet également de fournir à la charge des niveaux de tension utilisables. Le système réalisé est basé tout d’abord sur l’utilisation d’un convertisseur DC/DC résonant pouvant fonctionner d’une manière complètement autonome à partir de niveaux très bas de la tension et de la puissance de la source. Ce convertisseur permet donc de garantir l’autonomie du système en éliminant la nécessité d’une source d’énergie auxiliaire. A cause de ses faibles performances énergétiques, ce convertisseur ne sera utilisé que durant la phase de démarrage. L’efficacité du système en termes de rendement énergétique et d’adaptation d’impédance est garantie grâce à l’utilisation d’un convertisseur Flyback fonctionnant dans son régime de conduction discontinu. Ainsi, une adaptation d’impédance très efficace est réalisée entre la rectenna et la charge de sortie. Ce convertisseur principal fonctionnera durant le régime permanent. Les deux convertisseurs ont été optimisés pour des niveaux de tension et de puissance aussi bas que quelques centaines de mV et quelques μW respectivement. Des mesures expérimentales réalisées sur plusieurs prototypes ont démontré le bon fonctionnement et les excellentes performances prédites par la procédure de conception ; ce qui nous permet de valider notre approche. De plus, les performances obtenues se distinguent parfaitement vis-à-vis de l’état de l’art. Enfin, en fonction de l’application désirée, plusieurs synoptiques d’association des deux structures sont proposés. Ceci inclut également la gestion énergétique de la charge de sortie. / Latest advancements in microelectronic technologies and especially with the exponential increase of components and devices integration density have yield novel high technology and polyvalent portable systems. Such polyvalent communication devices need more and more available energy. Nonetheless, research in energy storage technology did not evolve with a similar speed. This constitutes a substantial handicap for the future evolution of portable devices. Wireless energy transfer through large distances such as tens of meters using microwaves is a very promising solution in order to deal with the autonomy problem in portable devices. In addition, since electromagnetic waves are ubiquitous in our environment, harvesting and using this free and available energy is also possible. Rectenna (Rectifying Antenna) is the device that allows to collect and to convert an electromagnetic wave into DC power. Several thesis research projects focusing on studying and optimizing the rectenna was carried-out into the Ampere laboratory. It has been shown that for a low level of the electromagnetic field the voltage provided by the rectenna is ultra-low and thus impractical. Further, as it is the case for the majority of energy harvesting micro-sources, the performances of the rectenna depend highly with the loading conditions. So, the development of an interfacing circuit for the rectenna is a necessary task in order to relieve the RF/DC converter inherent flaws. As it is pointed out into the literature, such power management circuit is in most cases absent due to the ultra-low power levels. In most cases, the rectenna is used as it; which reduces strongly the applications area. Within this research project, an ultra-low power and fully-autonomous power management system dedicated to rectennas was developed and optimized. It allows to guarantee highest performances of the rectenna whatever are the fluctuation of the input power level and the output load conditions. In addition, this power management system allows to provide a conventional voltage level to the load. The first part of the developed system is composed by a resonant DC/DC converter which plays the role of start-up circuit. In this case, no external energy source is required even with low voltage and ultra-low power source conditions. Because of its general poor energetic performances, this resonant converter will be used only during the start-up phase. The second part of the developed system is composed by a Flyback converter operating in its discontinuous conduction mode. Using this mode, the converter realizes static and very effective impedance matching with the rectenna in order to extract the maximum available power whatever are the input and the output conditions. Furthermore, thanks to the optimization procedure, the converter shows excellent efficiency performances even for μW power levels based on a discrete demonstrator. Finally, the converter provides conventional voltage levels allowing to power standard electronics. Experimental tests based on discrete prototypes for the both converters show distinguish results for the start-up voltage, the impedance matching effectiveness and the efficiency as regard to the state of the art.

Les matériaux à gradient d'indice de réfraction (GRIN) présentent des propriétés mécaniques variant en temps ou/et en espace. Ils ont été testés pour des applications prometteuses dans de nombreuses applications d'ingénierie, comme pour le contrôle santé structurale ou la surveillance de structure (SHM), le contrôle des vibrations et bruit, la récupération d'énergie, etc. D'un autre côté, les matériaux piézoélectriques offrent la possibilité de réaliser des cellules composites dont les propriétés mécaniques peuvent être contrôlées en ligne. Motivé par ces deux approches, cette thèse étudie la mise en œuvre de structures GRIN adaptatifs pour le contrôle des ondes élastiques. Deux types de structures GRIN adaptatifs sont étudiés dans ce travail. Le premier exemple concerne la mise en œuvre d'une lentille piézoélectrique dans une plaque. Il est composé de patchs piézoélectriques shuntés, collés périodiquement en surface du guide d'ondes. Les circuits de shunt utilisés permettent d'émuler une capacité négative (NC). En accordant les valeurs de NC on peut ajuster l'indices de réfraction du milieu à l'intérieur de la lentille piézoélectrique et pour satisfaire une fonction sécante hyperbolique. Les résultats numériques montrent que les lentilles piézoélectriques peuvent alors focaliser les ondes de flexion de la plaque sur les points focaux. La lentille piézoélectrique est efficace dans une grande bande de fréquences et efficace dans une grande plage de fonctionnement. Ainsi elle peut focaliser des ondes sur différent points par simple ajustement des valeurs de NC réalisés par le circuit. Cette focalisation adaptative la rend très intéressante pour de nombreuses applications comme la récupération d'énergie ou le SHM. La mise en œuvre de ces techniques pour la récupération d'énergie est discutée dans cette thèse. Le second exemple concerne l'étude d'une structure dont les propriétés mécaniques sont contrôlées en temps et en espace. En particulier, une modulation périodique permet de créer une onde artificielle se propageant dans la structure. L'interaction avec des ondes mécaniques entraîne une rupture de réciprocité visible dans un diagramme de bande non symétrique. De nombreux phénomènes inhabituels sont observés dans ce type de structures variables : fractionnement des fréquences, conversion d'ondes et transmission unidirectionnelles. Deux types de conversion fréquentielle sont démontrés et expliqués. Le premier est induit par la transmission d'énergie entre les différents modes Bloch et le second type est dû à la diffusion de Bragg dans les structures modulées. La transmission unidirectionnelle des ondes pourrait être exploitée pour réaliser des diodes dans des systèmes infinis ou semi-infinis. Cependant, la transmission unidirectionnelle n'existe pas dans les systèmes finis en raison des phénomènes de conversion de fréquence. / GRadient INdex (GRIN) media are those whose properties smoothly vary in space or/and time. They have shown promising effects in many engineering applications, such as Structural Health Monitoring (SHM), vibration and noise control, energy harvesting, etc. On the other hand, piezoelectric materials provide the possibility to build unit cells, whose mechanical properties can be controlled on-line. Motivated by these two facts, adaptive GRIN structures, which can be realized using shunted piezoelectric materials, are explored in this dissertation to control guided elastic waves. Two types of adaptive GRIN structures are studied in this work. The first type is a piezo-lens. It is composed of shunted piezoelectric patches bonded on the surfaces of plates. To control the mechanical properties of the piezoelectric composite, the piezoelectric patches are shunted with Negative Capacitance (NC). By tuning the shunting NC values, refractive indexes inside the piezo-lens are designed to satisfy a hyperbolic secant function in space. Numerical results show that the piezo-lens can focus waves by smoothly bending them toward the designated focal point. The piezo-lens is effective in a large frequency band and is efficient in many different working conditions. Also the same piezo-lens can focus waves at different locations by tuning the shunting NC values. The focusing effect and tunable feature of piezo-lens make it useful in many applications like energy harvesting and SHM. The former application is fully discussed in this thesis. The focusing effect at the focal point results in a known point with high energy density, therefore harvesting at the focal point can yield more energy. Besides, the tunable ability makes the harvesting system adaptive to environment changes. The second type is the time-space modulated structure. Its properties are modulated periodically both in time and space. Particularly, the modulation works like a traveling wave in the structure. Due to the time-varying feature, time-space modulated structures break the reciprocity theorem, i.e., the wave propagation in them is nonreciprocal. Many unusual phenomena are observed during the interaction between waves and time-space modulated structures: frequency splitting, frequency conversion and one-way wave transmission. Two types of frequency conversion are demonstrated and explained. The first type is caused by energy transmission between different orders Bloch modes. The second type is due to the Bragg scattering effect inside the modulated structures. The one-way wave transmission could be exploited to realize one-way energy insulation in equivalent infinite or semi-inffnite systems. However, the one-way energy insulation fails in finite systems due to the frequency conversion phenomenon.