Dans un contexte de développement durable et d’automatisation de notre environnement, l’utilisation de capteurs sans-fil distribués est croissante. Hors l’usage et le remplacement de piles s’avère coûteux. La consommation énergétique de plus en plus faible de l’électronique rend l’extraction énergétique de l’énergie ambiante envisageable. La chaleur résiduelle est une source d ’énergie intéressante puisqu’elle est la forme finale de la majeure partie de l’énergie utilisée par l’humain. Cependant, à petite échelle, seuls les éléments thermoélectriques sont disponibles. Les présents travaux s’intéressent donc à explorer et comparer des mécanismes de génération alternatifs. Puisque la majorité des mécanismes de transduction alternatifs sont dynamiques, leur utilisation requiert une transformation de l’énergie thermique continue en oscillations. Les mécanismes étudiés ont donc tous en commun de posséder un oscillateur thermique en plus d’un mécanisme de transduction vers la forme d ’énergie électrique. Parmi les divers mécanismes identifiés, deux sont étudiés en détails pour comprendre leurs comportements ainsi que connaître leur efficacité et leur puissance potentielle. Le premier générateur étudié théoriquement est basé sur le changement de ferromagnétisme d’une masse suspendue par des ressorts au-dessus d’un aimant. Les comportements du modèle développé correspondent aux comportements reportés dans la littérature. Deux paramètres de conception principaux ont été identifiés, perm ettant un contrôle de la fréquence, de la plage de températures d’opération. De plus le mécanisme peut opérer avec de faibles différences de température et des températures proches de l’ambiant, ouvrant la porte à des applications utilisant la chaleur du corps humain. L’utilisation de matériau pyroélectrique comme mécanisme de transduction pourrait offrir des densités de puissance électrique envisageables de l’ordre de 1 m W / c m 3. Le second générateur étudié expérimentalement est basé sur l’évaporation explosive d’un liquide surchauffé en absence de sites de nucléation. Un premier prototype a permis de démontrer, pour la première fois, le fonctionnement d’un tel cycle. Une étude de l’effet de la température de la source de chaleur et de l’effet du débit de liquide montre qu’une zone d’opération idéale est présente. La puissance de sortie maximale mesurée est de l’ordre de 1.6//W. Des améliorations sont proposées pour faire croître cette puissance de deux ordres de grandeur. Finalement, l’utilisation du pompage capillaire pour rendre le système autonome est démontré, mais reste sensible aux variations de conditions. Finalement, l’étude des dispositifs montre que les microgénérateurs à base d’oscillateurs thermiques peuvent présenter un intérêt, par rapport aux éléments thermoélectriques, dans les applications où les températures sont faibles ou incertaines. Cependant, ces mécanismes souffrnt d’une très faible efficacité causée par les multiples transformations énergétiques à faible couplage. [symboles non conforme]

Les actionneurs électromécaniques sont de plus en plus utilisés dans le domaine de la motorisation. Particulièrement, ils sont employés pour contrôler la boucle d'air du moteur Diesel. De tels actionneurs ont généralement une structure interne très complexe dont les caractéristiques sont protégées par des conventions de confidentialité. Notre travail dans cette thèse vise, en premier, à élaborer des procédures de modélisation et d'identification en prenant en compte une seule source de non linéarité, à savoir les frottements. Deux classes d'actionneurs sont ainsi étudiées et quatre procédures d'identification sont introduites permettant l'estimation des paramètres des systèmes et les coefficients des forces de frottement. Les résultats obtenus sont ensuite utilisés pour développer des simulateurs sous Simulink-MATLAB et AMESim dont la dynamique est expérimentalement validée via LabVIEW. Afin d'évaluer la dégradation des performances due au processus de vieillissement, la seconde partie du travail consiste en la réalisation des études de sensibilité quantifiant l'impact des variations paramétriques sur la réponse des actionneurs. Les techniques d'ANOVA (analyse des variances) et des plans d'expériences sont appliquées, en boucle ouverte et en boucle fermée, aux actionneurs étudiés. Les résultats issus des deux techniques sont cohérents permettant ainsi de valider les études réalisées.La dernière partie du travail a pour objectif l'élaboration de lois de commande robuste vis-à-vis des perturbations et des incertitudes de modélisation. Ainsi, trois stratégies de contrôle sont utilisées : PI-Flou (PI-Fuzzy controller), l'IDA-PBC (Interconnection and Damping Assignment - Passivity Based Control) et le backstepping. Les trois contrôleurs sont testés en présence et en absence d'incertitudes. Leur performance est démontrée en simulation en utilisant Simulink-MATLAB, et expérimentalement via LabVIEW.

Les actionneurs électromécaniques sont de plus en plus utilisés dans le domaine de la motorisation. Particulièrement, ils sont employés pour contrôler la boucle d’air du moteur Diesel. De tels actionneurs ont généralement une structure interne très complexe dont les caractéristiques sont protégées par des conventions de confidentialité. Notre travail dans cette thèse vise, en premier, à élaborer des procédures de modélisation et d’identification en prenant en compte une seule source de non linéarité, à savoir les frottements. Deux classes d’actionneurs sont ainsi étudiées et quatre procédures d’identification sont introduites permettant l’estimation des paramètres des systèmes et les coefficients des forces de frottement. Les résultats obtenus sont ensuite utilisés pour développer des simulateurs sous Simulink-MATLAB et AMESim dont la dynamique est expérimentalement validée via LabVIEW. Afin d’évaluer la dégradation des performances due au processus de vieillissement, la seconde partie du travail consiste en la réalisation des études de sensibilité quantifiant l’impact des variations paramétriques sur la réponse des actionneurs. Les techniques d’ANOVA (analyse des variances) et des plans d’expériences sont appliquées, en boucle ouverte et en boucle fermée, aux actionneurs étudiés. Les résultats issus des deux techniques sont cohérents permettant ainsi de valider les études réalisées.La dernière partie du travail a pour objectif l’élaboration de lois de commande robuste vis-à-vis des perturbations et des incertitudes de modélisation. Ainsi, trois stratégies de contrôle sont utilisées : PI-Flou (PI-Fuzzy controller), l’IDA-PBC (Interconnection and Damping Assignment - Passivity Based Control) et le backstepping. Les trois contrôleurs sont testés en présence et en absence d’incertitudes. Leur performance est démontrée en simulation en utilisant Simulink-MATLAB, et expérimentalement via LabVIEW. / In the motorization field, electromechanical actuators are more and more employed. In particular, they are used to control the diesel engine air path. Such actuators have a very complex structure whose characteristics are generally protected by confidential agreements. This work firstly deals with the modelling and the identification of electromechanical systems, considering only one nonlinear phenomenon, i.e. the friction. Hence, two actuator categories are studied, and four identification procedures are designed allowing estimating both the system parameters and the friction coefficients. Effectiveness of the developed simulators is shown using Simulink-MATLAB, AMESim and LabVIEW. In order to evaluate the ageing impact on the actuator performance, this work secondly introduces two techniques of sensitivity analysis: ANOVA (Analysis Of Variance) and DOE (Design Of Experiments). These techniques are applied, in open and closed loop, to evaluate how the change in parameters may affect the output of such actuator. Both techniques lead to very similar results allowing validating the designed study.Finally, this work aims at the design of nonlinear friction compensation techniques. Therefore, three techniques are used: PI-Fuzzy controller, IDA-PBC (Interconnection and Damping Assignment - Passivity Based Control) and the backstepping. All controllers are tested with and without uncertainties. Their effectiveness is shown in simulation, using Simulink, and experimentally via LabVIEW.

Plusieurs personnes vivent avec des incapacités qui affectent le contrôle du mouvement des membres supérieurs. Ces troubles de mouvement peuvent être présents sous forme de contractions involontaires, de mouvements spasmodiques ou de tremblements. Ceux-ci limitent ces personnes dans la réalisation de plusieurs tâches de la vie quotidienne. Des aides techniques peuvent alors servir à faciliter les déplacements, à compenser un manque de tonus musculaire ou à permettre la manipulation d'objets. Plus particulièrement, des aides techniques sont conçues pour les personnes vivant avec des troubles de mouvement aux membres supérieurs pour leur permettre de s'alimenter de manière autonome. Par contre, plusieurs facteurs limitent l'utilisation des aides techniques actuelles, tels que leur prix élevé ou leur complexité d'utilisation. L'objectif de ce mémoire est le développement d'une nouvelle aide à l'alimentation pour les personnes vivant avec des incoordinations motrices au niveau des membres supérieurs. L'hypothèse est que l'utilisation de l'aide à l'alimentation développée permettra d'améliorer la capacité des personnes avec des troubles de mouvement à s'alimenter de manière autonome. Cette assistance augmenterait l'implication de l'utilisateur lors des repas tout en réduisant la charge de travail des aidants ou préposés. Deux systèmes ont été développés : une version passive et une version active. La version passive consiste en un assemblage de barres qui maintiennent l'orientation de l'ustensile constante et amorti mécaniquement les mouvements brusques involontaires. Une version active a ensuite été développée, où des actionneurs remplacent les amortisseurs mécaniques, afn d'offrir une assistance plus intelligente. / Many people are living with neurological disorders such as cerebral palsy, stroke, muscular dystrophy or dystonia, that affect the control of upper limb movement. These motor disorders can be involuntary contractions, spasmodic movement or tremors. These disorders limit in the accomplishment of several tasks of daily life. Technical aids can then be used to facilitate movement, to compensate for a lack of muscle tone or to allow the manipulation of objects. In particular, assistive devices are designed for people with upper limb movement disorders to eat autonomously. Several factors limit the use of current assistive devices, such as their high price or high complexity. The aim of this thesis is the development of a new eating aid for people with upper limbs motor disorders. The hypothesis is that the use of the eating assistance developed will improve the ability of people with movement disorders to eat autonomously. This assistance would increase user involvement while reducing the workload of the caregiver. Two assistive prototypes have been developed : a passive version and an active version. The passive version consists of a bar assembly that maintains the constant orientation of the utensil and mechanically dampens involuntary movements. An active version was then developed, where actuators replace the mechanical dampers, in order to offer a more intellignent assistance.

Les systèmes nano-électro-mécaniques (NEMS) sont des dispositifs de tailles nanométriques composés de structure mécaniques mobiles et de circuits électroniques. Ils intègrent des fonctions électriques et mécaniques à l'échelle nanométrique. Leurs but est de détecter une certaine quantité physique et de le convertir dans un signal électrique mesurable. Les structures mécaniques mobiles des NEMS sont principalement constituées par des nano-poutres en silicium, des nano-leviers, des nanotubes de carbone et des nano-fils. Un changement dans l'environnement entraîne un changement dans leurs propriétés mécaniques et électriques (amplitude de mouvement, la fréquence de résonance, facteur de qualité etc.). Cette variation est convertie par des transducteurs appropriés dans un signal électrique. Ces dispositifs permettent la collecte d'informations environnementales comme le changement de température, de pression, de masse et de force. Des capteurs plus performants sont réalisés grâce à leurs ultra-petites masses, hautes fréquences de résonance (10Mhz-1Ghz), grands facteurs de qualité et une faible consommation. Les NEMS permettent une large gamme d'applications potentielles. Ils sont envisagés pour être utilisé dans des applications de détection de force ou de masses ultra-petites, par exemple dans des capteurs chimiques ou biologiques. Malgré, les grands avantages offerts par les NEMS, il n'existe pas encore une technique bien établie pour détecter efficacement le signal électrique généré par le déplacement mécanique de ces nanostructures. Le défi technologique le plus important dans le fonctionnement de ces systèmes est la détection efficace du déplacement nanométrique à des fréquences élevées. L'efficacité de la transduction détermine les performances des dispositifs et fixe leurs limites. L'objectif de cette thèse est orienté sur la résolution de ce problème majeur. La recherche est spécialement conduite sur le développement d'une technique de détection à base de nano-fils pour la transduction du déplacement nano-mécanique dans un signal électrique. Les travaux présentés dans cette thèse ont été organisée autour de trois axes principaux: La première partie vise à évaluer et comparer théoriquement les différents systèmes d'actionnement et de détection de NEMS à base de nano-fils afin de choisir celle qui présente le plus grand gain de transduction et le rapport signal/fond (SBR). Cette approche est cruciale, car ces résultats vont décider la poursuite de nos recherches et les techniques à mettre en œuvre. Ce travail est la base de départ avant de passer au développement. La deuxième partie est dédiée à la fabrication de dispositifs NEMS et à la mise en œuvre d'un système d'actionnement et de détection du mouvement mécanique à des fréquences jusqu'à 100 MHz. Cette étape nous permet de continuer avec l'évaluation expérimentale de l'efficacité de transduction. La troisième partie est centrée sur la caractérisation expérimentale de l'efficacité de transduction. Les paramètres centraux qui vont être explorées sont : le gain de transduction, le rapport signal à fond, le rapport signal sur bruit (SNR), la fréquence de résonance des dispositifs, le facteur de qualité, le déplacement et la résolution ultime de masse. Ces résultats expérimentaux sont d'une grande importance car ils sont utilisés pour confirmer les attentes et valider les analyses théoriques. Enfin, ces résultats sont comparés avec ceux donnés par l'état d'art, afin de mettre en évidence le progrès et la contribution dans ce domaine.

Dans la première partie de ce mémoire, nous proposons un état de l'art dans le domaine des micro et nanosystèmes électromécaniques en mettant en exergue les problématiques afférentes à leur réduction en taille en termes de technologies de fabrication, d'électronique associée, de sources de bruit extrinsèques et intrinsèques, de rapport signal sur bruit... Plus spécifiquement, nous évaluons la pertinence d'une miniaturisation des dispositifs électromécaniques pour des applications dans le domaine de la chimie ou de la biologie en soulignant le rôle prépondérant des effets de surface et d'interface par rapport aux effets de volume: pertes énergétiques, équilibres thermodynamiques, cinétiques de réaction& Le cas particulier des biopuces et des biocapteurs est ensuite abordé : dynamique de mesure, domaine de linéarité, sensibilité, résolution ultime. Cet état de l'art nous permet de positionner, sur le plan national et international, nos activités de recherche, dont le bilan est dressé dans la deuxième partie. Il a également pour objectif de justifier le choix de nos orientations thématiques à plus long terme vers le domaine des nanobiotechnologies, ces orientations faisant l'objet d'une dernière partie.

Les monocristaux Pb(Zn1/3Nb2/3)1-xTixO3 (PZN-xPT) présentent autour de x = 9% les meilleures propriétés piézoélectriques connues à ce jour. Ce travail est consacré à l'étude de ces propriétés, en relation avec la structure cristallographique et les différents états en domaines ferroélectriques de cristaux de composition x = 7, 9 et 12%.<br /><br />On décrit tout d'abord par des mesures de permittivité en température les états en domaines accessibles en fonction du champ électrique appliqué. Notamment, l'instabilité de l'état monodomaine quadratique 1T de PZN-12%PT dans les plaquettes d'épaisseur inférieure à 300 µm est mise en évidence et confirmée par diffraction des rayons X.<br /><br />La deuxième partie traite de l'ingénierie des domaines dans PZN-12%PT polarisé suivant [101]. En s'appuyant en particulier sur une détermination complète des propriétés électromécaniques intrinsèques du cristal ainsi que sur des observations optiques du polydomaine, on présente un modèle analytique de calcul de ses propriétés effectives. Ce modèle explique convenablement les baisses extrinsèques importantes des constantes diélectriques transverses observées par un effet d'encastrement.<br /><br />Dans une troisième partie, il est montré que les effets du dopage au manganèse sur les propriétés des cristaux sont qualitativement les mêmes que dans les piézoélectriques classiques (durcissement, hausse du facteur de qualité mécanique, baisses de la constante diélectrique et du coefficient piézoélectrique) et correspondent à une modification de leurs propriétés intrinsèques. De plus, on montre que l'ajout de manganèse déstabilise l'état monodomaine 1O dans PZN-7%PT et stabilise à l'inverse l'état 1R dans PZN-9%PT.

Ce document est rédigé en vue de l'obtention d'un diplôme d'habilitation à diriger des recherches de l'Université Joseph Fourier de Grenoble. Il présente une synthèse de travaux de recherche concernant les transducteurs électroacoustiques et ultrasonores, le Curriculum vitae et la production scientifique du candidat. Les travaux de recherche ont été conduits successivement à l'Université Technique Tchèque à Prague jusqu'en 1993, à l'Ecole Centrale de Lyon entre 1993 et 1994 et à l'Université Joseph Fourier de Grenoble depuis 1994. Les résultats les plus récents ont été obtenus au Laboratoire TIMA au sein de l'équipe RMS. Dans ce document, nous définissons la problématique des transducteurs éléctroacoustiques et ultrasonores et nous traçons les faits les plus marquants du progrès dans ce domaine. Nous présentons brièvement l'état de l'art des transducteurs piézoélectriques, capacitifs, piézorésistifs et électrothermiques en soulignant les réalisations dans le domaine de l'acoustique et des ultrasons. Nous présentons les progrès dans ce domaine apportés par les nouvelles technologies, ainsi que nos travaux sur ces types de transducteurs. Nous aborderons quelques méthodes de test développées pour des applications acoustiques et démontrerons leur applicabilité dans le domaine du test des systèmes analogiques et mixtes. La problématique des transducteurs acoustiques dans diverses applications et l'apport de nouvelles technologies pour leur évolution constituent le fil directeur de ce travail.

La miniaturisation des composants électroniques de l'échelle micro à l'échelle nano a entrainé aussi une miniaturisation des systèmes micro électromécaniques (MEMS). Cependant, la transition de MEMS à NEMS (systèmes nano électromécaniques) ne se résume pas simplement une réduction de taille. En fait, les méthodes d'actionnement et de détection utilisées couramment à l'échelle micro ne sont pas toujours efficaces à l'échelle nano. En plus, la fabrication des composants nanométriques avec des méthodes top-down est un défi à cause des limites de résolution. En surmontant ces difficultés, nous avons fabriqué et caractérisé des résonateurs à base de nanofils en silicium suspendus avec des petites sections de 30nm par 40nm et de longueurs allant de 1.5-3.5μm. L'actionnement de ces résonateurs est électrostatique et la détection est effectué avec deux mécanismes indépendants : (i) l'effet piezo résistif de deuxième ordre et (ii) l'effet de champ. Les mesures en régime statique nous ont permis de valider la présence de ces deux mécanismes et d'extraire les paramètres correspondants tels que le facteur de jauge et la transconductance du nanofil. Aussi, pour la première fois, ces deux principes ont été utilisés en alternance pour détecter la résonance du même nanofil. Les résultats obtenus avec ces transductions sont très prometteurs. La distinction entre les deux méthodes de transduction a été possible grâce à l'hétérodynage qui permet de sélectionner des phénomènes qui se produisent à la fréquence naturelle du dispositif ou au double de cette fréquence. Dans le but d'évaluer les performances de ces résonateurs pour de potentielles applications, nous avons mesuré la variance d'Allan. La stabilité de ces résonateurs pour des temps courts est du même ordre que celle des MEMS en silicium ce qui permet d'envisager l'utilisation de nanofils de silicium pour concevoir des bases de temps. Ces dispositifs nanométriques peuvent également être utilisés comme détecteur de masse avec des résolutions en masse de l'ordre du zg / The continuous miniaturization of electronics from micro to nano scale has impacted also the micro electromechanical systems (MEMS). However, the transition from MEMS to NEMS (nano electromechanical systems) is not only a matter of size. The actuation and detection principles used for efficient transduction at the microscale are not always efficient at the nanoscale. Also, top-down fabrication for nanometric devices becomes challenging due to resolution limits. Overcoming such difficulties, we were able to fabricate and characterize suspended silicon nanowire resonators with cross sections as small as 30nm by 40nm and lengths of 1.5-3.5μm. The actuation of these resonators was electrostatic, while the detection was performed with two independent physical phenomena: (i) the piezoresistive effect of second order and (ii) the field-effect. Measurements in static regime permitted us to validate the presence of these two mechanisms and extract related parameters such as the gauge factor and the nanowire transconductance. Then, for the first time, these two principles were used alternatively on the same silicon nanowire device for resonance detection and showed promising results. The distinction between the two was possible thanks to the down-mixed technique which could differentiate phenomena happening at the natural resonant frequency of the nanowire and twice this frequency. In order to evaluate the performances of these resonators, Allan deviation measurements were performed. It seems that the short-term stability of these devices is in the spectrum of other silicon MEMS devices for time reference applications and that potentially silicon nanowire resonators could be conceived for time keeping. Another potential application of these devices consists in mass sensing with mass resolutions close to the state of the art (<zg)

L’amélioration du confort des usagers ainsi que l’augmentation du niveau de sécurité des structures requièrent le développement de techniques permettant de limiter efficacement les vibrations. Dans cette optique, les travaux exposés ici proposent le développement et l’analyse de méthodes de contrôle vibratoire pour des structures de faibles dimensions et utilisant peu d’énergie. Afin de satisfaire à ces deux critères, il est ici proposé d’utiliser des éléments piézoélectriques électriquement interfacés de manière non-linéaire et périodiquement distribués sur la structure-cible à contrôler. Ainsi, l’approche proposée permet de bénéficier à la fois des avantages des techniques de contrôle non-linéaires appliquées aux matériaux intelligents de type piézoélectrique, offrant des performances remarquables tout en étant peu consommatrices d’énergie, avec ceux des structures périodiques exhibant des bandes fréquentielles interdites présentant de fortes atténuations de la propagation d’onde. Plus particulièrement, ce mémoire s’intéresse à différentes architectures d’interconnexion des interfaces électriques non-linéaires permettant un bon compromis entre la bande fréquentielle contrôlée et les performances en termes d’atténuation des vibrations. Ainsi, trois architectures principales sont proposées, allant de structures totalement périodiques, tant au niveau mécanique qu’électrique (interconnexions), à des structures présentant un certain degré d’apériodicité sur le plan électrique (entrelacement), impactant ainsi la propagation de l’onde acoustique en élargissant la bande de contrôle, pour enfin proposer une architecture hybride entre interconnexion et entrelacement conduisant à des systèmes large bande performants. / For ameliorating vibration reduction systems in engineering applications, miscellaneous vibration control methods, including vibration damping systems, have been developed in recent years. As one of intelligent vibration damping systems, nonlinear electronic damping system using smart materials (e.g., piezoelectric materials), is more likely to achieve multimodal vibration control. With the development of meta-structures (a structure based upon metamaterial concepts), electronic vibration damping shunts, such as linear resonant damping or negative capacitance shunts, have been introduced and integrated abundantly in the electromechanical meta-structure design for wave attenuation and vibration reduction control. Herein, semi-passive Synchronized Switch Damping on the Inductor (SSDI) technique (which belongs to nonlinear electronic damping techniques), is combined with smart meta-structure (also called smart periodic structure) concept for broadband wave attenuation and vibration reduction control, especially for low frequency applications. More precisely, smart periodic structure with nonlinear SSDI electrical networks is investigated from the following four aspects, including three new techniques for limiting vibrations: First, in order to dispose of a tool allowing the evaluation of the proposed approaches, previous finite element (FE) modeling methods for piezoelectric beam structures are summarized and a new voltage-based FE modeling method, based on Timoshenko beam theory, is proposed for investigating smart beam structure with complex interconnected electrical networks; then, the first developed technique lies in smart periodic structure with nonlinear SSDI interconnected electrical networks, which involves wave propagation interaction between continuous mechanical and continuous nonlinear electrical media; the second proposed topology lies in smart periodic structures with nonlinear SSDI interleaved / Tri-interleaved electrical networks involving wave propagation interaction between the continuous mechanical medium and the discrete nonlinear electrical medium. Due to unique electrical interleaved configuration and nonlinear SSDI electrical features, electrical irregularities are induced and simultaneously mechanical irregularities are also generated within an investigated periodic cell; the last architecture consists in smart periodic structures with SSDI multilevel interleaved-interconnected electrical networks, involving wave propagation interaction between the continuous mechanical medium and the multilevel continuous nonlinear electrical medium. Compared with the SSDI interconnected case, more resonant-type band gaps in the primitive pass bands of purely mechanical periodic structures can be induced, and the number of such band-gaps are closely related to the interconnection / interleaved level. Finally, the main works and perspectives of the thesis are summarized in the last chapter.