La thèse porte de manière générale sur les polymères électrostrictifs qui peuvent être utilisés soit comme actionneurs électromécaniques souples, soit comme capteurs ou récupérateurs d’énergie. Le premier chapitre est une introduction générale aux systèmes couplés électromécaniques. Le choix des matériaux est exposé et porte sur les élastomères diélectriques et les polyuréthanes (PU) chargés par des nanoparticules conductrices de noir de carbone (CB). Le second chapitre porte sur la réalisation des films. Des particules de CB sous forme de micelles préformées et une technique « solution-cast » sont employées dans cette optique. Ce procédé permet une bonne dispersion des charges. Une amélioration de la déformation d’un facteur 1,6 est obtenue par introduction de particules de CB à 0.89 vol%. Le troisième chapitre présente la modélisation de phénomènes comme la saturation de la polarisation qui implique directement une saturation de la déformation. En modélisant la polarisation comme une fonction non-linéaire dépendant de deux variables (la permittivité bas niveau et un champ de saturation), on décrit ainsi correctement plusieurs phénomènes qui ne peuvent être interprétés par une approche linéaire et homogène. Les simulations effectuées montrent une bonne corrélation avec les expérimentations menées. Le quatrième chapitre propose une comparaison entre les films PU purs et chargés. Cette analyse porte non seulement sur des mesures mécaniques et électriques mais également en XRD ou en DSC afin de détecter le niveau de cristallisation. Une dispersion importante a ainsi été observée visuellement. Des déformations de l’ordre de 50 % ont ainsi été obtenues. Le cinquième chapitre porte sur l’effet lié à l’injection de charges électriques par bombardement électronique (HEBI), sur la déformation électrostrictive. Une telle approche permet ainsi un gain d’un facteur de l’ordre de 2 sur la déformation et semble réduire les pertes de façon très conséquente. / In a general manner, the present thesis focuses on electrostrictive polymers which can be used either as flexible electromechanical actuators or as sensors or energy harvesters. Chapter 1 is a general introduction to electro-mechanical coupled systems. The choice of the materials is described and focuses on dielectric elastomers, polyurethane (PU) with conductive carbon black (CB) nano-particle fillers. Chapter 2 focuses on the film synthesis. CB nano-particles in the form of micelles and solution cast method were employed to provide good filler dispersion. The strain enhancement of a factor of 1.6 was obtained by 0.89 vol% CB doping. Chapter 3 exposes the modeling of electrostrictive actuation and in particular the saturation of the polarization. By modeling the polarization as a nonlinear function depending on two variables (low-level permittivity and saturation field), it is therefore possible to describe several phenomena that cannot be explained by a classical linear and homogeneous approach. Simulations performed using such an approach show a good agreement with experimental results. Chapter 4 presents the comparison between pure PU and composite films. It includes mechanical/electrical characterization as well as XRD or DSC measurements to detect the crystallization level. High dispersion level was visually confirmed. Strains of the order of 50 % were reached. Chapter 5 deals with the effect of electric charge injection by homogeneous electron beam irradiation (HEBI) on the electrostrictive strain. This technique therefore permits a gain of 2 on the obtained strain and seems to significantly reduce the losses in the material as well.

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. / 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.

Les matériaux évolués tels que les matériaux composites ou les fibres de carbone sont de plus en plus utilisés dans l'industrie. Ils rendent les structures plus légères et plus résistantes mais en contrepartie, ils apportent de nouveaux problèmes de vibration. De nombreuses recherches sont ainsi en cours pour apporter des solutions afin d'éliminer les vibrations indésirables tout en restant compactes, légères, intelligentes et modulaires. Récemment, des techniques de contrôle non linéaires, dénommées en anglais S.S.D. (Synchronized Switch Damping) ont été proposées et validées. Ces méthodes font commutées un élément piézoélectrique collé à la structure mécanique à amortir sur un circuit électrique de manière synchronisée avec la déformation de celle-ci. Un effet amortissant peut ainsi être obtenu en utilisant l'énergie de vibration de la structure mécanique elle-même. Basée sur ces concepts, une nouvelle technique appelée S.S.D.E.T. (Synchronized Switch Damping with Energy Transfer) est proposée dans ce manuscrit. Cette méthode permet d'amortir une vibration en utilisant de l'énergie extraite à partir d'autres vibrations. Les résultats de ce travail de thèse sont présentés de la manière suivante. Premièrement, le principe et les lois de commande de la technique S.S.D.E.T. sont introduits. Ainsi, un modèle mathématique est établi et permet de vérifier les concepts proposés par simulation. Ensuite, des validations expérimentales menées sur différentes configurations sont décrites et démontrent l'augmentation de l'amortissement sur un système composé de deux structures mécaniquement indépendantes, sur un système composé d'une seule structure qui vibre selon plusieurs modes et sur une combinaison des deux précédents. Enfin, une extension de la technique S.S.D.E.T. est introduite dans un cadre d'échange d'énergie bidirectionnel. Celle-ci permet d'obtenir un amortissement privilégié sur un mode tout en conservant un contrôle correct des autres modes. / Advanced materials such as carbon fiber, composite materials et al. are more and more used in modern industry. They make the structures lighter and stiffer. However, they bring vibration problems. Researchers studied numerous methods to eliminate the undesirable vibrations. These treatments are expected to be a compact, light, intellectual and modular system. Recently, a nonlinear technique which is known as Synchronized Switch Damping (SSD) technique was proposed. These techniques synchronously switched when structure got to its displacement extremes that leading to a nonlinear voltage on the piezoelectric elements. This resulting voltage showed a time lag with the piezoelectric strain thus causing energy dissipation. Based on the developed SSD techniques, a new synchronized switch damping e.g. Synchronized Switch Damping with Energy Transfer (SSDET) was proposed in this document. This method damped the vibration by using the energy from other vibrating form. The objectives of the work reported in this document were threefold. The first one consisted of introduction of SSDET principle and developing its control law. This part aimed at establishing the mathematical model and verifying the proposed method by mathematical tools. Then, the experimental validations were carried out. Three experiments with different configurations demonstrated that SSDET can be implemented not only between structures but also vibrating modes in one structure. A SSDET scheme with multi-patches was also investigated for improving the damping. Finally, a bidirectional SSDET concept was introduced based on the original SSDET technique. This technique be regarded as a multimode control SSDET. Since it privileged the target vibration while keeps a decent control effect on the source vibration.

L’effet magnétoélectrique (ME) se traduit par la possibilité d’induire une magnétisation à l’aide d’un champ électrique (effet direct) ou celle d’induire une polarisation électrique à l’aide d’un champ magnétique (effet inverse). Les composites laminés qui possèdent de grands coefficients ME ont généré beaucoup d’intérêt dans le domaine des capteurs, des modulateurs, des interrupteurs et des inverseurs de phase. Dans cette thèse, nous présentons les performances de composites dits laminés à deux ou trois couches. Il a été montré que l’on pouvait obtenir des performances en conversion magnéto-électrique directe en associant des phases magnétostrictives et piézoélectriques. Une modélisation de leur comportement basée sur un oscillateur mécanique a été proposée. Elle a été en particulier utilisée pour simuler le couplage mécanique entre deux couches. Une autre approche pour développer des dispositifs originaux a consisté à utiliser un champ magnétique alternatif pour induire des courants de Foucault dans des électrodes métalliques et une Force de Lorentz en présence d’un deuxième champ magnétique continu. Si ces électrodes recouvrent un matériau piézoélectrique, la force de Lorentz sera alors convertie en signal électrique suivant l’effet direct. Cette approche permet donc de développer des dispositifs de conversion électromagnétique sans phase magnétique. Différents prototypes utilisant un bimorphe piézoélectrique, un film de PVDF et une céramique piézoélectrique ont été réalisés et caractérisés. Un signal électrique proportionnel à la composante continue du champ magnétique a été mis en évidence, ce qui ouvre des applications pour la détection magnétique. Cette thèse s’est également intéressée à l’augmentation du coefficient d’électrostriction par injection de charges électriques en utilisant la technique de décharge Corona. Cette étude a été réalisée sur du polypropylène, connu pour sa capacité à stocker des charges électriques. Le mécanisme de stockage de charge et l’effet sur l’électrostriction ont été étudiées par la mesure du potentiel de surface, la mesure des courants thermo-stimulés, la calorimétrie différentielle et l’interférométrie Laser. L’injection de charges a contribué à une augmentation de la permittivité et par la même à celle du coefficient d’électrostriction, en accord avec un modèle simple de distribution de charges dans l’échantillon. / Magnetoelectric (ME) interactions in matter correspond to the appearance of magnetization by means of an electric field (direct effect) or the appearance of electric polarization by means of a magnetic field (converse effect). The composite laminates which possess large ME coefficient, have attracted much attention in the field of sensors, modulators, switches and phase inverters. In this thesis, we report on the ME performances of the bi- and tri- layered composites. It is shown that their ME couplings can be achieved by combining magnetostrictive and piezoelectric layers. A model based on a driven damped oscillation is established for the piezoelectric/magnetostrictive laminated composite. It is used to simulate the mechanical coupling between the two layers. In addition, we report that the ME coupling can be achieved without magnetic phase but only with eddy current induced Lorentz forces in the metal electrodes of a piezoelectric material induced by ac magnetic field. The models based on the Lorentz effect inducing ME coupling in PZT unimorph bender, polyvinylidene fluoride (PVDF) film and PZT ceramic disc are thus established. The results show the good sensitivity and linear ME response versus dc magnetic field change. Thus, the room temperature magnetic field detection is achievable using the product property between magnetic forces and piezoelectricity. Besides, we report on the electrostrictive performance of cellular polypropylene electret after high-voltage corona poling. We use the Surface Potential test, Thermal Stimulated Depolarization Current experiment and Differential Scanning Calorimetry experiment to analyse its charge storage mechanism. The result show that the electrostrictive coefficient and relative permittivity of the charged samples increase. Last but not least, in order to explain this phenomenon, a mathematic model based on the charged sample has been established.

Le concept de la récupération d'énergie se rapporte généralement au processus d'utilisation de l'énergie ambiante, qui est converti, principalement (mais pas exclusivement) en énergie électrique pour faire fonctionner des dispositifs électroniques petites et autonomes. Les tendances récentes à la fois dans l'industrie et au domaine de la recherche ont mis l'accent sur les polymères électro-actifs pour la conversion d'énergie électromécanique. Cet intérêt s'explique par de nombreux avantages tels que la productivité élevée, la grande flexibilité, et la facilité de traitement. Le but de ce travail de recherche est d’explorer la potentialité des polymères électro-actifs pour une application de récupération d’énergie mécanique ambiante. Dans la première partie, une synthèse des composites à base de polyuréthane (PU) et de P(VDF-TrFE-CFE) a été réalisée, suivie d’une caractérisation électrique et mécanique de ces polymères et composites afin d’évaluer leurs paramètres intrinsèques. La seconde partie de ce travail de thèse concerne la caractérisation électromécanique de ces polymères. Un modèle analytique électromécanique est mise en place afin de déterminer finement le comportement physique des polymères électrostrictifs ainsi que les variations de leurs paramètres intrinsèques. Ce modèle analytique est validé par une série de tests à travers un banc d’essai. La dernière partie de ce travail consiste à évaluer les performances électromécaniques des polymères électrostrictifs pour la récupération d’énergie mécanique. Deux nouvelles techniques sont testées afin de maximiser la densité d’énergie récupérée. Ainsi qu’une comparaison avec les méthodes classiques a été réalisée. Un excellent potentiel de ces techniques pour la récupération d'énergie a été démontré. Le deuxième point porte sur l’étude de l’efficacité de la conversion électromécanique pour la récupération d’énergie mécanique en utilisant l'analyse spectrale FFT. Il a été montré que cette méthode permet de prévoir le rendement énergétique de nos polymères en accord avec les prédictions théoriques. Le dernier point se focalise sur l’amélioration de cette efficacité de conversion électromécanique en utilisant des électrets de polypropylène cellulaire, afin d’assurer un meilleur rendement énergétique. / The concept of energy harvesting generally relates to the process of using ambient energy, which is converted, primarily (but not exclusively) into electrical energy in order to power small and autonomous electronic devices. Recent trends in both industrial and research fields have focused on electro-active polymers for electromechanical energy conversion. This interest is explained by many advantages such as high productivity, high flexibility, and processability. The purpose of this research work is to explore the potential of electro-active polymers for application of mechanical energy harvesting. At first, a synthesis of the composite based on polyurethane (PU) and P (VDF-TrFE-CFE) was performed, followed by electrical and mechanical characterization of these polymers and composites in order to evaluate their intrinsic parameters. The second part of this thesis concerns electromechanical characterization of these polymers. An electromechanical analytic modeling is detailed in order to determine the physical behavior of electrostrictive polymers and the variations of intrinsic parameters. This modeling is validated by a series of tests using a test bench. The last part of this work consists to evaluate the electromechanical performance of electrostrictive polymers for the mechanical energy harvesting. Two new techniques are tested in order to maximize the density of energy recovered. As well as a comparison against those classic has been performed. Excellent potential of these techniques for energy harvesting has been demonstrated. The second point is about the study of the electromechanical conversion efficiency for scavenging mechanical energy using spectral analysis FFT. It was shown that this method allows predicting the energy efficiency of our polymers, in accordance with the results predicted by the model. The last point focuses on improving the efficiency of electromechanical conversion by using cellular polypropylene electrets to ensure better energy efficiency.

Le contrôle des vibrations est devenu un enjeu majeur et a reçu une attention considérable dans de nombreuses applications industrielles. Diverses approches de recherche ont été exploitées pour réduire les vibrations indésirables. Les matériaux intelligents développés peuvent contrôler et supprimer les vibrations d'une manière efficace et intelligente avec un poids ajouté supplémentaire négligeable par rapport au système. La majorité des recherches sur les matériaux intelligents a mis l'accent sur le contrôle d’une structure composite constituée avec des transducteurs piézoélectriques intégrés ou liés à la structure. Les avantages des matériaux piézoélectriques sont une bande passante élevée, une grande compacité, leur légèreté, leur facilité de mise en œuvre et les leurs bonnes caractéristiques de couplage électromécanique, ce qui les rend appropriés en tant que actionneurs et capteurs. Récemment, une technique de contrôle de vibration semi-passif non linéaire, appelé SSD (Synchronized Switch Damping) a été développée. SSD s'appuie sur une élévation cumulative de la tension aux bonnes de l’élément piézoélectrique résultant de la commutation continue de ladite tension. Il a été montré que les performances d’amortissement sont fortement liées à cette amplitude de tension totale disponible. Basé sur les techniques SSD, une nouvelle approche globale pour l'amortissement des vibrations d’une structure “intelligente” est proposée dans cette thèse. Elle est fondée sur une redistribution modale d'énergie par l'intermédiaire d'un réseau d'éléments piézoélectriques. L'objectif de ce travail est d’augmenter la tension piézo-électrique (directement lié à l'énergie opératoire d’amortissement) pour l'amélioration les performances d'amortissement. Dans cette approche semi-active proposée, l'énergie supplémentaire est fournie par un réseau d'éléments piézoélectriques qui recueille cette énergie sur les différents modes de vibration de la structure. Deux topologies de réseau d'origine sont développées pour le transfert d’énergie. L’une s'appelle SSDT "Synchronized Switch Damping by energy Transfer". L’autre est définie comme SSDD "Synchronized Switch Damping with Diode". L’évaluation et la comparaison des performances sont effectuées sur un modèle représentatif d'une plaque encastrée équipée de plusieurs éléments piézoélectriques dans le cas d’une excitation multimodale. Par rapport à la méthode SSDI modale, des résultats de simulation et un modèle global théorique sont enfin proposés pour démontrer la relation entre l'amélioration d’amortissement réalisable et l'énergie transférée par rapport à l'énergie mécanique de la structure. Ces résultats prouvent la capacité d'un réseau d'éléments piézoélectriques dans la gestion et la redistribution d'énergie de la structure pour améliorer l'amortissement de vibrations d’une structure intelligente. / Structural vibration control is an important issue and has received considerable research attention in many industry applications. Researches investigated various approaches to reduce undesirable vibrations. The smart materials can control and suppress vibration in an efficient and “intelligent” way without causing much additional weight. The majority of research in smart damping materials has focused on the control of composite structure using embedded or bonded piezoelectric transducers. The advantages of piezoelectric materials include high achievable bandwidth, compactness, lightness, easy implementation and good electromechanical coupling characteristics, thus making them appropriate for actuators and sensors applications. Recently, a non-linear semi-passive vibration control technique, so-called Synchronized Switch Damping (SSD), has been developed. SSD technique relies on a cumulative build-up of the voltage resulting from the continuous switching of the piezoelectric voltage and it was shown that the performance is strongly related to this total voltage amplitude available. Based on SSD techniques, a new global approach for improved vibration damping of smart structure, based on global energy redistribution by means of a network of piezoelectric elements is proposed in this thesis. The objective of this work is to propose a new approach to increase the piezoelectric voltage (also related to the damping operative energy) in order to improve the damping performance. In the proposed semi-active approach, the extra energy used to improve this voltage is gathered on the various modes of the structure using an interconnected piezoelectric element network. Two original network topologies are developed for transferring energy. One is named SSDT for “Synchronized Switch Damping by energy Transfer”. The second is defined as SSDD for “Synchronized Switch Damping with Diode”. Performance evaluations and comparisons are performed on a model representative of a clamped plate equipped with piezoelectric elements in the case of multimodal motion. Compared to the Modal-SSDI method used as a baseline, simulation results and a global theoretical model are proposed demonstrating the relationship between the achievable damping improvement and the ratio of transferred energy to the structure mechanical energy, thus proving the capability of a network of piezoelectric elements for global energy management and redistribution in order to improve the vibration damping of smart structures.

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.

Ces travaux de thèse portent sur le développement de nouveaux systèmes piézoélectriques récupérateurs d’énergie à partir de vibrations mécaniques environnementales. L’objectif recherché est d’apporter des solutions à certaines contraintes fortes liées à la miniaturisation de ces systèmes, en vue de leur intégration en technologie MEMS. Les 2 axes majeurs suivis lors de ces travaux sont :(i) la nanostructuration par porosification du substrat silicium. Ce procédé permet de créer des zones fonctionnalisées possédant des propriétés locales de masse volumique et de rigidité plus faibles que celles du substrat silicium. Ceci permet d’une part d’améliorer le coefficient de couplage électromécanique global de la structure et, d’autre part, de maintenir la fréquence de résonance du mode fonctionnel dans une gamme fréquentielle basse (< que 1KHz) compatible avec le spectre de nombreuses sources vibratoires usuelles. Une série de modélisation par éléments finis d’un convertisseur type (poutre avec masse sismique) a établi les paramètres dimensionnels optimaux de la zone nanostructurée. L’efficacité de ce procédé de nanostructuration localisée a ensuite été évaluée expérimentalement sur des membranes en silicium. Il a été observé une réduction de la fréquence de résonance du mode fondamental, tout en minimisant les pertes par un choix judicieux de l’emplacement et de la largeur de la zone poreuse. (ii) Le développement de dispositifs récupérateurs à sensibilité multidirectionnelle. Ces dispositifs permettent de récupérer l’énergie quel que soit la direction de la sollicitation externe. Ils exploitent 3 modes propres distincts de flexion sollicités chacun par une composante particulière (ax, ay ou az) du vecteur accélération caractéristique de la sollicitation. Ces dispositifs basés sur une structure planaire de type double poutres orthogonales avec masse sismique centrale sont facilement intégrables et peuvent être déclinés de l’échelle centimétrique à l’échelle millimétrique en utilisant dans ce cas les technologies de type MEMS. Un modèle analytique simple a d’abord mis à jour les mécanismes énergétiques qui permettent d’obtenir une quantité d’énergie constante lorsque le dispositif est soumis à un vecteur sollicitation de direction quelconque. L’optimisation du coefficient de couplage électromécanique de chaque mode fonctionnel, ainsi que l’ajustement de leur fréquence de résonance ont été obtenu à l’aide d’un modèle à éléments finis. L’ensemble de ces résultats théoriques a été expérimentalement validé à l’aide de prototypes centimétriques. / This thesis work focuses on the development of new piezoelectric energy recovery systems from environmental mechanical vibration. The goal is to provide solutions to some strong constraints on the miniaturization of these systems, their integration in MEMS technology. The 2 major lines followed in this work are: (i) the nanostructuring by porosification silicon substrate. This method allows to create functionalized areas having local properties of density and lower rigidity than those of the silicon substrate. This allows on the one hand to improve the overall electromechanical coupling coefficient of the structure and, secondly, to maintain the resonant frequency of the operational mode in a low frequency range (< 1KHz) compatible with the spectrum of Many conventional vibratory sources. A series of finite element modeling of a type converter (beam with seismic mass) established the optimum dimensional parameters of nanostructured area. The effectiveness of this localized nanostructuring method was then evaluated experimentally on silicon membranes. It was observed a reduction of the resonance frequency of the fundamental mode, while minimizing losses by a judicious choice of the location and the width of the porous zone. (Ii) The development of recovery devices multidirectional sensitivity. These devices allow to recover energy regardless of the direction of the external load. They use 3 different eigenmodes bending each solicited by a particular component (ax, ay and az) vector solicitation characteristic acceleration. These devices based on a planar structure type double orthogonal beams with central seismic mass can be easily integrated and can be broken down to centimeter scale at the millimeter scale using in this case the MEMS technologies. A simple analytical model was first updated energy mechanisms that enable a constant amount of energy when the device is subjected to a bias vector in any direction. The optimization of the electromechanical coupling coefficient of each functional mode, and the adjustment of their resonance frequency were obtained using a finite element model. All these theoretical results has been experimentally validated using centimeter prototypes.

Ce manuscrit de thèse propose l'optimisation de l'ensemble de la chaîne de reproduction sonore dans un système embarqué. Le premier axe de recherche introduit les notions générales concernant les systèmes audio embarqués nécessaires à la bonne compréhension du contexte de la recherche. Le principe de conversion de l'ensemble de la chaine est présenté afin de comprendre les différentes étapes qui composent un système audio. Un état de l'art présente les différents types de haut-parleurs ainsi que l'électronique associé les plus couramment utilisées dans les systèmes embarqués. Le second axe de recherche propose une approche globale : une modélisation électrique du haut-parleur (tenant compte d'un nombre optimal de paramètres) permet à un électronicien de mieux appréhender les phénomènes non-linéaires du haut-parleur qui dégradent majoritairement la qualité audio. Il en résulte un modèle viable qui permet d'évaluer la non-linéarité intrinsèque du haut-parleur et d'en connaitre sa cause. Les résultats des simulations montrent que le taux de distorsion harmonique intrinsèque au haut-parleur est supérieur à celui généré par un amplificateur. Le troisième axe de recherche met en avant l'impact du contrôle du transducteur. L'objectif étant de savoir s'il existe une différence, du point de vue de la qualité audio, entre la commande asservie par une tension ou par un courant, d'un micro-haut-parleur électrodynamique. Pour ce type de transducteur et à ce niveau de la modélisation, le contrôle en tension est équivalent à contrôler directement le haut-parleur en courant. Néanmoins, une solution alternative (ne dégradant pas davantage la qualité audio du signal) pourrait être de contrôler le micro-haut-parleur en courant. Le quatrième axe de recherche propose d'adapter les spécifications des amplificateurs audio aux performances des micro-haut-parleurs. Une étude globale (énergétique) démontre qu'un des facteurs clés pour améliorer l'efficacité énergétique du côté de l'amplificateur audio est la minimalisation de la consommation statique en courant, en maximalisant le rendement à puissance nominale. Pour les autres spécifications, l'approche globale se base sur l'étude de l'impact de la spécification d'un amplificateur sur la partie acoustique. Cela nous a par exemple permis de réduire la contrainte en bruit de 300%. Le dernier axe de recherche s'articule autour d'un nouveau type de transducteur : un micro-haut-parleur en technologie MEMS. La caractérisation électroacoustique présente l'amélioration en terme de qualité audio (moins de 0,016% de taux de distorsion harmonique) et de plage de fréquence utile allant de 200 Hz à 20 kHz le tout pour un niveau sonore moyen de 80dB (10cm). La combinaison de tous les efforts présente un réel saut technologique. Enfin, la démarche globale d'optimisation de la partie électrique a été appliquée aux performances du MEMS dans la dernière section, ce qui a notamment permis de réduire la contrainte en bruit de 500%. / This thesis proposes the optimization of the whole sound reproduction chain in an embedded system. The first research axis is introduces the general concepts concerning audio systems necessary for the good understanding of the context of research. The principle of conversion of the entire chain is presented to understand the stages that make up a sound system. A state of the art presents various loudspeakers and the associated electronics most commonly used in embedded systems. The second research axis proposes a global approach: electric modeling of loudspeaker (taking into account an optimum number of parameters) that allows electronics engineer a better understanding of the nonlinear phenomena that degrade mostly audio quality in loudspeakers. It results in a sustainable model which evaluates the intrinsic non-linearity in loudspeakers and to know its cause. The simulation results show that the total harmonic distortion intrinsic to the loudspeaker is higher than that the distortion generated by an amplifier. The third research axis highlights the impact of the control of the transducer. The aim is to find out if there is a difference, in terms of audio quality, between the feedback control by voltage or current, for an electrodynamic micro-speaker. For this type of transducer and at this level of modeling, voltage control is equivalent to directly control the current of the micro-speaker. However, an alternative solution (not further degrading the signal audio quality) could be to control directly the micro-speaker by a current. The fourth research axis proposes to adapt the audio amplifiers specification to the performance of the micro-speakers. A comprehensive study of an energy point of view shows that a key factor for improving the energy efficiency of the audio amplifier is the minimization of the static power consumption and the maximization of the performance at nominal power. For other specifications, the global approach is based on the study of the impact of the specification of an amplifier on the sound pressure level. This has allowed, for example to reduce the stress in output noise voltage by a ratio of 300 %. The last research axis focuses on a new type of transducer: a micro-speaker in MEMS technology. Electroacoustic characterization shows the improvement: in terms of audio quality (less than 0.016 % total harmonic distortion) and the useful frequency range from 200 Hz to 20 kHz, the whole for an average sound level of 80 dB (10 cm). The combination of all the efforts presents a real technological leap. Finally, the overall process of optimization of the electrical part has been applied to the performance of MEMS in this last section, which has resulted, for example, in a reduction in the noise constraint of 500 %.